pengembangan pangkalan data struktur kimia di lipi berbasis data

Pusat Penelitian Informatika - LIPI
PENGEMBANGAN PANGKALAN DATA STRUKTUR KIMIA DI
LIPI BERBASIS DATA RESONANSI MAGNETIK INTI*)
1
L. Broto Sugeng Kardono1, Ahmad Darmawan1, M. Hanafi1 dan
Umar Anggara Jenie2
Pusat Penelitian Kimia, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Kawasan PUSPIPTEK, Serpong.
2
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Widya Sarwono, Jl. Gatot Subroto 10, Jakarta.
ABSTRAK
Penentuan struktur kimia biasanya didasarkan pada sifat fisika dan kimia dari senyawa
tersebut. Dari sifat-sifat tersebut, data spektroskopi sangat berperan penting. Data
Resonansi Magnetik Inti (RMI) merupakan data spektroskopi utama untuk tujuan tersebut.
Untuk membantu elusidasi struktur senyawa-senyawa kimia telah dikembangkan program
Chemical Structure Information Bank di Puslit Kimia-LIPI. Program ini merupakan
program untuk membantu elusidasi struktur kimia didasarkan informasi teoritik RMI dan
Data Tabel dari Pustaka. Pendekatan seperti ini mengalami banyak kesulitan karena
sangat banyak variasi struktur kimia yang ada, yang memerlukan pendalaman lebih jauh
dan konsultasi dengan pakar di bidangnya. Untuk memudahkan elusidasi struktur kimia
bagi para peneliti namun kurang pakar dalam bidang tersebut telah dikembangkan
pangkalan data struktur kimia berbasis data resonansi magnetik ini di Pusat Penelitian
Kimia-LIPI. Pangkalan data tersebut merupakan kumpulan ribuan struktur kimia beserta
data RMI yang terkait. Pangkalan data ini dikembangkan dari program ChemOffice yang
penggambaran struktur kimia mempunyai kinerja sangat bagus dan sudah dikenal dan
diterima secara internasional. Pengelolaan data RMI pada pangkalan data tersebut
dikelompokkan berdasarkan kelas struktur kimia, kajian biogenetik dan sumber struktur
tersebut diperoleh. Data RMI diperoleh dari data pustaka, terutama dari senyawasenyawa hasil penelitian para peneliti di seluruh LIPI. Hard copy sebagian dari data RMI
dari pangkalan data tersebut sedang disiapkan.
PENDAHULUAN
Ada
beberapa instrumen analisa selain NMR yang dapat digunakan untuk
mengidentifikasi jenis senyawa atau struktur molekul suatu sampel, baik dalam suatu
campuran atau senyawa murni, seperti Spektrometr Massa (C-MS) yang digabung dengan
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
1
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
system kromatografi (kromatografi gas dan cair), spektrophotometer Infra merah (IR),
Kromatografi gas (KG/GC) dan kromatografi cair kinerja tinggi (KCKT/HPLC). Namun
demikian satu sama lain punya fungsi yang berbeda dan masing-masing mempunyai
kelebihan atau kekurangan, tergantung dari tujuan atau jenis sampelnya. Identifikasi secara
kromatografi (Identifikasi dengan menggukan spektropotometer IR hanya memberikan
informasi mengenai jenis gugus fungsi,
Hal yang penting dalam mengidentifikasi atau elusidasi struktur molekul suatu senyawa
organik adalah asal usul senyawa sedapat mungkin diketahui, apakah dari biota darat atau
laut spesiesnya atau digunakan untuk apa zat tersebut. Hal ini sangat membantu dalam
menentukan jenis atau golongan senyawanya, misalnya flavonoid, xanton, kumarin, olean
atau steroid. Dengan demikian akan sangat membantu dalam menentukan struktur molekul.
Pengukuran spektrum NMR satu Dimensi bisa digunakan menentukan struktur molekul
untuk senyawa-senyawa sederhana dan merupakan senyawa yang sudah diketahui (known
compound). Banyak informasi yang dapat diambil dari hasil pengukuran spektrum NMR 1
Dimensi (1H dan
13
C-NMR), seperti adanya gugus-gugus fungsi yang dinyatakan dalam
bentuk khas seperti jumlah, jenis dan posisi gugus fungsi, jumlah proton dan karbon serta
dapat menentukan bentuk konformasinya atau struktur ruangnya seperti cis atau trans,
aksial atau equatorial.
Dengan telah diketahuinya gugus-gugus fungsi berdasarkan pengukuran spektrum 1H dan
13
C NMR, maka untuk merangkai gugus-gugus tersebut menjadi suatu struktur molekul
secara lengkap dan benar perlu dilakukan pengukuran spektrum NMR 2 Dimensi. Namun
untuk melakukan intrepetasi data spektrum data 2D NMR seperti HMQC, HMBC dan
NOE memerlukan waktu yang cukup lama mengingat diperlukan kompetensi dan
pengalaman yang cukup lama. Disamping itu mengingat struktur molekul sangat beragam
dari sederhana sampai sangat komplek. Untuk membantu peneliti bidang lain seperti
farmasi, biologi, dokter dalam bidang elusidasi struktur maka Pusat Penelitian Kimia –
LIPI sedang membuat suatu program data base yang berisikan nilai pergeseran kimia 1H
dan
13
C-NMR suatu senyawa tertentu baik itu hasil penelitian sendiri maupun orang lain
(luar negeri). Dengan menggunakan data base yang sudah ada yaitu ChemFinder dapat
dimanfaatkan untuk penyimpanan data pergeseran kimia yang selanjutnya digunakan untuk
mengidentifikasi suatu senyawa. Selain data pergeseran kimia juga dapat dimasukkan data
2
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
nama senyawa, rumus molekul, berat molekul dan sifat fisikanya seperti titik leleh. Dengan
memasukkan data yang kita miliki maka akan dapat dilakukan konfirmasi apakah senyawa
yang kita perkirakan sesuai atau tidak.
METODOLOGI
Untuk dapat mebuat data base yang diinginkan maka bahan-bahan yang diperlukan
dipersiapkan dengan langkah-langkah sebagai beriukut :
1. Membuat format data base yang diperlukan
2. Studi pustaka : text book, jurnal, internet
3. Pengisian data
4. Uji coba
Pembuatan format pelu dilakukan untuk membuat atau menentukan kolom data yang
diinginkan seperti kolom struktur molekul, nama senyawa, rumus molekul, pergeseran
kimia proton dan karbon (1H dan
13
C),
sumber, aktivitas dan sumber pustakanya.
Penelusuran pustaka diperlukan untuk membuat klasifikasi pengelompokkan senyawa dan
data yang diperlukan untuk mengisi kolom tersebut. Selanjutnya perlu dilakukan pengisian
data sesuai dengan kolom dan uji coba serrching data untuk mendapatkan kemungkinan
struktur, konfirmasi data dan sebagainya. Data base tersebut juga dapat ditampilkan dalam
bentuk table seperi dibawah ini. Dalam tersebut dicontohkan kelompok senyawa turunan
xanthone yang banyak diisolasi dari tanaman kelompok manggis yang dikenal dengan
nama Garcinia sp.
Tabel 1. Kelompok Senyawa Turunan Xanthone
No
Struktur Molekul
OMe
O
Nama
Dulxanthone F
O
OMe
OMe
O
Molekul
H-NMR ( )
C21H20O7 384.1193
OH
Dulxanthone G
O
OMe
Molekul
1
O
2
MeO
Berat
OH
1
MeO
Rumus
O
OMe
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
C22H22O8 414.1337
5.57 (H3, d, 10.0),
6.71 (H4, d, 10.0),
6.39 (H8, s), 6.36
(H12, s), 1.52 (2Me, s), 13.64(13OH, s), 4.01 (10-
3
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
OMe, s), 3.91 (12OMe, s)
OH
O
OMe
3
MeO
O
OMe
O
OH
Dulxanthone J
C21H20O8 400.1200
OMe
O
OH
O
OMe
C19H16O7 356.0900
O
5
MeO
Dulxanthone I
OH
O
OMe
C22H22O8 414.1337
OMe
4
HO
Dulxanthone H
O
O
OH
HASIL DAN DISKUSI
Untuk melakukan elusidasi struktur molekul suatu senyawa bioaktif memang bukanlah hal
yang cukup mudah karena memang diperlukan beberapa data dari beberapa instrument
analisa dimana data tersebut untuk saling mendukung sehingga dugaan tersebut dapat
dipastikan. Untuk interpretasi data spektrometri massa (MS) baru dapat memberikan
informasi berat molekul dan pola fragmentasi. Hal ini cukup mudah dan dapat digunakan
untuk identifikasi bila senyawa tersebut berasal dari tanaman yang kandungan senyawa
kimianya telah banyak diketahui sehingga dengan informasi data berat molekul dapat
diperkirakan nama senyawa tersebut, namun bila ada berat molekul yang tidak sesuai
dengan yang kita perkirakan maka sulit untuk memprediksi senyawa tersebut, karena
masih banyak kemungkinan Demikian juga bila telah diketahui rumus molekul juga masih
banyak kemungkinan struktur molekulnya. Dengan bantuan spektrum 1H dan
13
C NMR
dapat lebih mempermudah dalam menentukan struktur molekul mana yang lebih sesuai.
Mengingat bahwa bentuk signal suatu senyawa dalam spektrum 1H-NMR adalah sangat
spesifik dan banyak informasi yang dapat diterjemahkan. Bentuk (singlet, doublet dan
triplet) dan posisi (nilai pergeseran kimia) suatu signal dapat memberikan informasi yang
sangat penting, missal bentuk signal singlet artinya bahwa disebelah signal proton (H)
tersebut atom karbonya tidak mempunyai atom proton. Bila bentuknya doublet dan triplet
maka disebelah atom H tersebut maka masing-masing pada atom karbon yang mempunyai
4
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
1 dan 2 atom H, dan seterusnya mengikuti aturan Pascal’s Triangle.
Tabel 2. Bentuk Splitting Berdasarkan Aturan Pascal’s Triangle
Coupled
Intensities / Peak ratio
Pattern
nuclei
0 (A)
1 (AB1)
2 (AB2)
3 (AB3)
4 (AB4)
5 (AB5)
6 (AB6)
1
1
1
1
6
1
1
1
4
5
15
2
3
6
10
20
1
1
3
4
10
15
1
1
5
6
1
1
Singlet (s)
Doublet (d)
Triplet (t)
Quartet (q)
Pentet (p)
Hextet
Heptet
Diagram 1. Daerah Nilai Pergeseran Kimia H dan C-NMR Suatu Gugus Fungsi
Nilai pergeseran kimia juga menentukan jenis gugus fungsi seperti terlihat pada Diagram 1
dan 2. Adanya ikatam atom Oksigen (O) dengan karbon C akan mempengaruhi nilai
pergeseran kimia H-NMR dan muncul pada daerah downfield (medan rendah) artinya akan
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
5
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
mempunyai nilai pergeseran kimia makin besar. Untuk nilai pergeseran kimia dari gugus
metal (-CH3) dan metoksi (-OCH3) akan sangat berbeda, dimana –CH3 akan muncul pada
daerah nilai pergeseran kimia ( ) sekitar 1 sedangkan metoksi sekitar
4. Hal tersebut
juga berlakuk untuk nilai pergeseran kimia C-NMR, dimana gugus –CH3 akan muncul
didaerah
10-15, sedangkan gugus metoksi didaerah
50 -70 (lihat Diagram 1). Teori
dasar interpretasi spektrum NMR 1 Dimensi perlu difahami, karena tidaklah terlalu sulit
dan mudah diingat. Bila teori dasar tersebut bida dimengerti maka akan sangat membantu
dalam menentukan kemungkinan struktur molekul yang ditampilkan dalam data base
tersebut.
Gambar 1. Nilai Konstanta J kapling suatu Signal Proton Olefinik dan Aromatik
H
H
7.5 Hz
H
0.8 Hz
H
1.5 Hz
H
H
Signal dalam spektrum 1H NMR juga memperlihatkan nilai konstanta J kapling, dimana
untuk ikatan olefinik bilai mempunyai nilai antara 12-18 Hz maka kedua proton tersebut
berada dalam posisi trans, sedangkan untuk suatu gugus aromatic bila nilai J konstannta
kecil, missal < 1 ppm (0.8 Hz) maka kedua proton tersebut berada dalam posisi para.
Informasi ini juga santa penting dalam menentukan pilihan senyawa mana yang paling
mendekati diantara pilihan senyawa dengan data yang dimiliki hasil pengukuran spektrum
H-NMR.
Untuk merangkaikan gugus fungsi yang telah diidentifikasi berdasarkan hasil pengukuran
6
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
spektrum H dan C-NMR maka perlu diperkirakan struktur molekulnya secara utuh
biasanya diperlukan pengukuran spektrum NMR 2 dimensi yang interpretasinya jauh lebih
sulit. Untuk membantu hal tersebut maka PP Kimia LIPI mencoba membuat suatu data
base yang berisikan informasi tentang struktur molekul, nama, rumus molekul (formula),
berat molekul (Mol. Weight), titik leleh (TL), Bioaktivitasnya, sumber tanaman, nilai
pergeseran kimia H dan C-NMR serta sumber pustakanya. Data base ini juga dilengkapi
dengan software untuk menggambar struktur molekul yang sudah standard. Disamping itu
juga dapat menentukan rumus molekul dan berat molekul secara otomatis bila struktur
molekulnya sudah digambar.
Dengan memasukkan informasi yang sudah dimiliki, missal rumus molel atau berat
molekul maka akan muncul jawaban yang kemungkinan bias lebih dari jawaban. Maka
untuk itu perlu dilakukan seleksi senyawa dengan membandingkan data yang dimiliki. Bila
data yang dimili mempunyai berat molekul 414 dan diperkirakan senyawa xanthone maka
perlu dipilih data base yang berisikan senyawa turunan xanthone, dan bila jawabannya ada
dua kemungkinan struktur seperti di bawah ini. Untuk itu perlu dibandingkan data lainnya
seperti data nilai pergeseran kimia, J kapling dan titik leleh.
OH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OH
O
O
O
O
O
Bila ternyata kurang atau tidak sesuai dengan data yang dimiliki bukan berarti senyawa
tersebut merupakan senyawa baru, hal ini karena data dalam data base jumlah masih
terbatas, untuk itu perlu di up date setiap hari sampai selengkap mungkin.
KESIMPULAN
Dengan menggunakan data base sangatlah membantu dalam melakukan elusidasi struktur
molekul suatu senyawa bioaktif yang berasal dari tumbuhan obat, bila tidak ada
jawabannya maka perlu dilakukan penelusuran pustaka lainya seperti data base Chemical
Abstract atau SciFinder.
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
7
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
Diagram 2. Tampilan Data base Dalam Bentuk Skema
8
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Diagram 3. Tampilan Data Base Dalam Bentuk Tabel
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
9
Bandung, 29 – 30 Juli 2003
DAFTAR PUSTAKA
Sanders, J. K. M. and B. K. Hunter. (1993), “Modern NMR Spectroscopy”, Oxford
University Press,.
Derome, A. E. (1995), Breitmaier, E. Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry,
John Wiley&Sons, (1993). “Modern NMR Techniques for Chemistry Research”
Pergamon,.
Friebolin, H. (1993), L. D. Field and S. Steruhell. Analytical NMR. JWS. (1989), “Basic
One and Two Dimensional NMR Spectroscopy. 2nd ed.” VCH
Pretsch Clerc Seibl Simon. (1989), “Table of Spectral Data for Structure Determination of
Organic Compounds. 2nd ed “. Springer-Verlag Berlin..
Kosela, S., Li-Hong Hu, Tiah rahmatia, Muhammad hanafi, and Keng-Yeow Sim. (2000),
Dulxanthones F-H, Three New Pyranoxanthones from Garcinia dulcis. J. nat. 63, hal 406407.
Xu, Y. J., S. C. Yip, S. Kosela, E. Fitri, M. Hanafi, S. H. Goh and K. Y. Sim. (2000),
Novel Cytotoxic, Polyprenylated Heptacyclic Xanthonoids from Indonesian Garcinia
gaudichaudiii (Guttiferae). Org. Lett., 2(24), hal 3945-3948.
Hanafi, M., Tia Rahmatiah, Soleh Kosela, and Roger Mulder, . Dulxanthone I. (2001), “ A
Novel Pyranoxanthone from Methanol Extract Of Garcinia dulcis Kurz Leaves”.
Proceeding : “International Seminar on Organic Chemistry”, The Role of Org. Chem. In
the Development for Facing the Free Trade Era, UGM, Yogyakarta, Indonesia, Sept. 8.
Hanafi, M., L. B. and S. Kardono. (2001), “Isolation and Structure Elucidation,
Dulxanthone G and J from n-Hexane Extract of Garcinia nervosa Bark”. Prosiding
Seminar Nasional XI, Kimia dalam Industri dan Lingkungan, Yogyakarta, 6-7 Nov.
Iinuma, M., H. Tosa, T. Tanaka, F. Asai, and R. Shimano. (1995), “Two Xanthones with
A 1,1-Dimethylallyl Group in Root Bark of Garcinia subelliptica”, Phytochemistry.,
39(4), hal 945-947.
Ito., C., Y. Miyamoto, M. Nakayama, Y. Kawai, K. S. Rao, and H. Furukawa. (1997), “A
10
Pemaparan Hasil Litbang 2003
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Novel Depsidone and Some New Xanthones from Garcinia species”, Chem. Pharm. Bull.,
45(9), hal 1403-1413.
Iinuma, M., H. Tosa, T. tanaka, F. Asai, Y. Kobayashi, R. Shimano, and K. Miyauchi.
(1996), “Antibacterial Activity of Xanthones from Guttiferaeous Plants against Methicilinresistant Staphylococcus aureus”. J. Pharm. Pharmacol., 48, hal 861-865.
Asano, J., K. Chba, M. Tada, and T. Yoshi. (1996), “Cytotoxic Xanthones from Garcinia
Hanburyi”, Phytochemistry., 41(3), hal 815-820.
Bennet, G. J. and H. H. Lee. (1989), “Xanthones from Guttiferae (Review article number
43)”, Phytochemistry., 28(4), hal 967-998.
Hanafi, M. (2002), “Penggunaan ChemDraw/ChemOffice dalam Membantu Elusidasi
Struktur Molekul”, Laporan Kursus
Teknik Isolasi dan Elusidasi Struktur Senyawa
Organik, Pusat Penelitian Kimia - LIPI, Serpong, 10-15 Juni 2002
Hanafi, M. (2002), “Teori dasar dan Interpretasi Spektrum NMR 1 Dimensi”, Laporan
Kursus Teknik Isolasi dan Elusidasi Struktur Senyawa Organik, Pusat Penelitian Kimia LIPI, Serpong, 10-15 Juni 2002
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik
11