Antaraksi cahaya dg atom dan molekul

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
Sediaan Farmasi, Bahan
Alam, Cairan Biologis, Dll
Ekstraksi
Uji kemurnian
Tetapan Fisika :
- Titik lebur, Titik didih
- indek bias, rotasi jenis, bobot
jenis, dll
Kromatografi :
TLC, GC, HPLC dll
Senyawa murni
Reaksi warna untuk identifikasi molekul obat sekarang sdh tidak “mumpuni”
lagi karena tdk relevan bila digunakan untuk identifikasi struktur molekul yang
kompleks
4
Senyawa Murni
Analisis elementer
Rumus Molekul
5
Elemental analysis
CHO
+
O2
9.83 mg

CO2
+
H2O
23.26 mg
9,52 mg
O = 9,83 – (C+H) = 2,4286 mg
H = 2/18 x 9,52 = 1,0577mg
C = 12/44 x 23,26 = 6,3436 mg
Rumus Empiris
Perband mol : C : H : O = 6,3436/12 : 1,0577/1 : 2,4286/16 =
[CaHbOc]n
0,5286 : 1,0577 : 0,1518
=
[C3,5H7O1]n = BM
3,5
:
7 :
1.
Spektrometri Massa
[12 x 3,5 + 1x7 + 16x 1] n= 130
Rumus Molekul
C7 H14 O12
n=2
6
Senyawa Murni
Analisis elementer
Rumus Molekul
Metode Spektroskopi
Uv-vis
Inframerah
Massa
NMR
Struktur molekul
7
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)
DRUG DISCOVERY FROM NATURAL
RESOURCES
Flora, Animals
Microorganisms
Marine lives
Bioassay
Bioactive compounds
Phytopharmaceutical
(Plants)
Synthetic, derivatives (QSAR),
analogs of Clinically used drugs
DRUGS
Do you know these compounds ?
RO
H 3C
O
Semi-synthetic
O
O
H
N
CH3
O
H
O
N
HH
HO
CH3
H
R = - H, Morphine
R = -CH3, Codeine
H 3C
Secondary metabolite
O
Heroin (diacetylmorphine)
Lead Compound
Analgetics
HO
Papaver somniverum
H3CO
O
Synthetic
H
N
CH3
H
Dextromethorphan
O
N
CH3
Antitussive
Synthetic
Pethidine
Anaesthetic
Lead compounds from animals
Pyr-Trp-Pro-Arg-Pro-Gln-Ile-Pro-Pro
Teprotide, a polypeptide isolated from a snake venom
•To make less complex molecules
• To make more stable (digestive and
metabolic enzymes)
• Can be administered at the dose level
CH3
HS
N
OH
O
O
Captopril
Antihypertensive
Medicinal
Chemists
Sennae folium
(Laxantive)
Glu
O
O
OH
PHYTOPHARMACA
Anthraquinones Compounds
Glu
O
O
OH
COOH
COOH
COOH
Glu
O
O
Sennoside-A
OH
OH
Glu
O
O
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)
Reduces cholesterol blood level [25.3% (Garlic); 27.2%
(benzafibrate, a positive control], & LDL-HDL-Triglycerides
as well.
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%).
S
S
O
H
NH2
S
O
S
O
S
CO2H
Alliin (S-allyl-L-(+)-cysteine sulfoyde
Via 2-propene
sulfenic acid
Z-Ajoene
S
Allicine (diallylthiosulfinate)
Dimerize
S
S
S
O
E-Ajoene
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
5
H3CO
3
4a
8a
6
7
Methylripariochromene,
4
8
OCH3
9
Active as Hypotensive
2
O
1
10
agent by :
-Vasodilating action
-Decrease cardiac output
-Diuretic action
-Diisolasi dari daun Kumis
kucing dan Eupatorium
riparium
(Matsubara et al., 1999)
Results & discussion :
MS spektra : mol. Weight (m/z 422),
HR-EIMS : C20H22O10
UV
IR
MS
13C-NMR
APT
1H-NMR
HetCor
O
HO
6
6'
5
1'
5'
1
HO
2
4
3
O
HO
H
H
6''
2''
H
3''
H
3'
Phalerin
OCH3
LC50 = 1.5 x 10-1 mM
(BST)
OH H
IC50 = 1,9 x 10-1 mM
[Myeloma cells (NS-1)]
1''
5''
4''
HO HO
O
4'
2'
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
(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)
• 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
Hubungan antara λ dan ν
adalah
νλ = c
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
E = hν
h = tetapan Planck (6,63.10 ̄³⁴ Js)
• Bil.gelombang (ν̄)nu bar : ciri gelombang yg
berbanding lurus dg energi, didefinisikan sbg jml
gelombang per cm
ν̄ = 1/λ
Spektrum radiasi elektromagnetik
νλ = c
E = hν
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 = hcν̄
• 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)
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.
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.
• 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!