Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 1
PENGEMBANGAN PANGKALAN DATA STRUKTUR KIMIA DI
LIPI BERBASIS DATA RESONANSI MAGNETIK INTI
*) L. Broto Sugeng Kardono1, Ahmad Darmawan1, M. Hanafi1 danUmar Anggara Jenie2
1Pusat Penelitian Kimia, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Kawasan PUSPIPTEK, Serpong. 2Lembaga 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 senyawa-senyawa 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
2 Pemaparan Hasil Litbang 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 13C-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 13C 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 13C-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
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 3 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 13C), 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 Nama Rumus
Molekul Berat Molekul 1H-NMR ( ) 1 Dulxanthone F C21H20O7 384.1193 2 Dulxanthone G 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 (2-Me, s), 13.64(13-OH, s), 4.01 (10-O O O OH OMe MeO OMe O O O OH OMe MeO OMe OMe
4 Pemaparan Hasil Litbang 2003 OMe, s), 3.91 (12-OMe, s) 3 Dulxanthone H C22H22O8 414.1337 4 Dulxanthone I C19H16O7 356.0900 5 Dulxanthone J C21H20O8 400.1200
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 13C 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
O O O OMe OH MeO OMe OMe O O O OMe OH OH HO O O O OH OH OMe MeO OMe
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 5 1 dan 2 atom H, dan seterusnya mengikuti aturan Pascal’s Triangle.
Tabel 2. Bentuk Splitting Berdasarkan Aturan Pascal’s Triangle Coupled
nuclei
Intensities / Peak ratio Pattern
0 (A) 1 Singlet (s) 1 (AB1) 1 1 Doublet (d) 2 (AB2) 1 2 1 Triplet (t) 3 (AB3) 1 3 3 1 Quartet (q) 4 (AB4) 1 4 6 4 1 Pentet (p) 5 (AB5) 1 5 10 10 5 1 Hextet 6 (AB6) 1 6 15 20 15 6 1 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
6 Pemaparan Hasil Litbang 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
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 H H H H H H 7.5 Hz 1.5 Hz 0.8 Hz
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 7 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.
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.
O O OH O O O O O O O OH O O O O O
8 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 9
10 Pemaparan Hasil Litbang 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 406-407.
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.
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 11 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 Methicilin-resistant 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 -
