ABSTRAK
PENGARUH PENAMBAHAN SENYAWA NUKLEOFILIK PADA
PENENTUAN REAKTIVITAS KIMIA SENYAWA KLORAMBUSIL
DAN MEKLORETAMIN SECARA VOLTAMMETRI SIKLIK
DALAM BEBERAPA PELARUT
Oleh
Henry Setiyanto
NIM : 30506301
Senyawa-senyawa pengalkil biasanya banyak digunakan dalam kemoterapi kanker karena reaktivitasnya dalam menghentikan pertumbuhan sel kanker dengan langsung bereaksi ke pusat-pusat nukleofil dari basa DNA. Senyawa pengalkil menyerang target secara tidak selektif, oleh karena itu dapat menyerang sel-sel yang sehat sehingga dapat menimbulkan kanker sekunder. Kajian yang telah dilakukan oleh badan dunia International Agency for Research on Cancer (IARC) menyimpulkan bahwa timbulnya kanker sekunder disebabkan terapi penyakit kanker pada pasien menggunakan senyawa-senyawa pengalkil. Oleh karena sifat bahaya dalam membentuk kanker sekunder dari senyawa-senyawa pengalkil ini, kami mengembangkan metode pengukuran reaktivitas kimia untuk senyawa klorambusil (CLB) dan mekloretamin (MEC) di dalam beberapa pelarut dengan dan tanpa penambahan senyawa nukleofil lain. Reaksi alkilasi dari kedua senyawa pengalkil mengikuti mekanisme reaksi SN1 dan ErCi. Reaksi tersebut berlangsung mengikuti dua
tahapan reaksi, (1) pembentukan zat antara (karbokation) yang bersifat elektrofil, reaksi ini berlangsung lambat dan (2) reaksi kimia antara karbokation dengan senyawa nukleofil yang berlangsung cepat. Senyawa pengalkil akan dielektro oksidasi-reduksi untuk membentuk senyawa karbokation dengan reaksi elektrokimia reversibel kemudian senyawa karbokation bereaksi dengan senyawa nukleofil dengan reaksi kimia irreversibel. Reaktivitas kimia ditentukan berdasarkan nilai dari tetapan laju reaksi maju (kf) pada
reaksi tahap kedua.
Reaktivitas kimia senyawa CLB dan MEC dihitung dari data parameter elektrokimia voltammogram siklik yang diukur di dalam pelarut-pelarut yang mengandung natrium perklorat 0,1 M dan 0,2 M. Pendekatan metode Nicholson-Shain digunakan untuk menghitung reaktivitas kimia berdasarkan parameter-parameter kedua senyawa pengalkil. Hal yang sama dilakukan pada penambahan senyawa-senyawa nukleofil lain ke dalam larutan senyawa pengalkil yang diukur. Pelarut yang digunakan antara lain air, aseton dan asetonitril, sedangkan senyawa nukleofilik yang ditambahkan antara lain 4-kloro butironitril (CBN), piridin (Py) dan nikotinamide adenin dinukleotida (NAD+).
Parameter-parameter elektrokimia yang diperoleh dari voltammogram siklik antara lain potensial dan arus puncak anoda serta potensial dan arus puncak katoda. Tetapan laju reaksi maju dapat ditentukan dengan metode kompetitif pada berbagai laju selusur potensial.
Profil voltammogram siklik yang dihasilkan senyawa klorambusil dan mekloretamin menunjukkan karakterisasi reaksi elektrokimia reversibel diikuti oleh reaksi kimia irreversibel. Seluruh voltammogram yang dihasilkan dikarakterisasi dari nilai potensial puncak anoda (Epa) dan potensial puncak katoda (Epc) serta arus puncak anoda (Ipa) dan
arus puncak katoda (Ipc), potensial setengah gelombang (E1/2) dan potensial pemisahan
puncak (∆Ep). Daerah potensial kerja yang didapat dalam penelitian ini adalah (0,5 – 1,2) V untuk CLB dalam air; (0,8 – 1,5) V untuk CLB dalam aseton dan asetonitril; dan (0,8 – 1,7) V untuk MEC dalam pelarut aseton dan asetonitril. Nilai Ipa dan Ipc menunjukkan
hubungan yang linier dengan v1/2 dengan rata-rata nilai koefisien korelasi yang tinggi yaitu di atas 90% (R2 > 0,90). Hal tersebut memberikan arti bahwa sistem dari senyawa pengalkil yang diteliti mengikuti persamaaan dari Randles-Sevcik. Selain itu, hal-hal tersebut di atas juga menunjukkan bahwa proses yang berlangsung di permukaan elektroda kerja adalah proses difusi. Hasil perbandingan nilai-nilai dari Ipc/Ipa rata-rata
kurang dari 1, menunjukkan bahwa mekanisme reaksi mengikuti reaksi elektrokimia reversibel diikuti dengan reaksi kimia irreversibel.
Pada laju selusur potensial 1 V/s didapat nilai Epa dan Epc secara berurutan 0,896 V dan
0,788 V ; 1,240 V dan 1,160 V ; 1,130 V dan 1,070 V untuk CLB di dalam air, aseton dan asetonitril. Sedangkan untuk MEC, secara berurutan 1,480 V dan 1,200 V ; 1,460 V dan 1,200 V di dalam pelarut aseton dan asetonitril. Senyawa MEC bukan merupakan senyawa elektroaktif dalam pelarut air karena tidak memberikan arus puncak oksidasi maupun arus puncak reduksi pada voltammogram yang dihasilkan. Penambahan senyawa nukleofilik menggeser potensial puncak oksidasi-reduksi tetapi relatif tidak mengubah daerah potensial kerjanya. Hasil-hasil ini memberikan pemahaman bahwa penggunaan pelarut yang berbeda akan mempengaruhi potensial oksidasi-reduksi dari senyawa CLB dan MEC.
Reaktivitas kimia yang dihitung berdasarkan metode Nicholson-Shain menunjukkan kebergantungannya terhadap sifat dari pelarut. Dari penelitian ini diperoleh nilai-nilai reaktivitas kimia untuk senyawa CLB di dalam pelarut air, aseton dan asetonitril secara berturut-turut adalah 0,4485 s-1; 0,2248 s-1 dan 0,0245 s-1.Sedangkan untuk MEC nilai masing-masing adalah 0,4828 s-1 dan 0,2724 s-1 dalam aseton dan asetonitril. Pelarut dengan bilangan donor yang lebih besar seperti air, akan memberikan nilai reaktivitas kimia yang lebih besar untuk senyawa CLB dan MEC. Penambahan senyawa nukleofilik CBN, Py dan NAD+ mengubah nilai-nilai reaktivitas senyawa CLB dan MEC, akan tetapi tidak mengubah urutan reaktivitasnya dalam pelarut-pelarut yang digunakan. Nilai-nilai reaktivitas senyawa CLB dalam pelarut air, aseton dan asetonitril setelah penambahan senyawa nukleofilik CBN secara berturut-turut adalah 0,4897 s-1; 0,2715 s-1 dan 0,2676 s-1, setelah penambahan senyawa nukleofilik Py 0,0993 s-1; 0,0541 s-1 dan 0,0077 s-1, setelah penambahan senyawa nukleofilik NAD+ 0,0248 s-1; 0,1773 s-1 dan 0,0868 s-1. Sedangkan untuk MEC nilai reaktivitas kimia di dalam pelarut aseton dan asetonitril
secara berturut-turut setelah penambahan senyawa nukleofilik CBN 0,1601 s-1 dan 0,1365 s-1), setelah penambahan senyawa nukleofilik Py 0,2056 s-1 dan 0,1799 s-1, dan setelah penambahan senyawa nukleofilik NAD+ 0,4323 s-1 dan 0,0398 s-1. Senyawa MEC dalam air tidak dapat dihitung nilai reaktivitas kimianya karena tidak bersifat elektroaktif. Data reaktivitas senyawa dan CLB dan MEC sesuai dengan data klinisnya yaitu LD50.
Reaktivitas-reaktivitas yang diperoleh dalam penelitian ini berkorelasi dengan data klinis senyawa CLB dan MEC sehingga metode ini layak dipertimbangkan untuk digunakan dalam menghitung nilai reaktivitas kimia.
ABSTRACT
EFFECT OF NUCLEOPHILIC AGENT ON THE CHEMICAL REACTIVITIES OF CHLORAMBUCIL AND MECHLORETHAMINE BY CYCLIC
VOLTAMMETRIC IN SEVERAL SOLVENTS STUDIED
By
Henry Setiyanto NIM : 30506301
Alkylating agents is typically used in the cancer chemotherapy due to reactivity in eradicating the growth of the cancer cell by directly reacting to the nucleophile center of DNA bases. Alkylating agents attack to non-selective targets, which implicated to attack healthy cells as well that may possibly inducing unexpected secondary cancers. Surveyes conducted by the International Agency for Research on Cancer (IARC) concluded that the secondary cancers cases is strongly caused the application of alkylating agents during the chemotheraphic treatment of the patients.
Due to the potential hazzardous of the alkylating agents in causing the secondary cancer, in the presence work we developed a method to determined the chemical reactivity of alkylating drugs, i.e. chlorambucil (CLB) and mechlorethamine (MEC) in various solvents in the presence and the absent of additional nucleophile substances using cyclic voltammetric technique. Alkylation reactions of both drugs follow the mechanism of SN1
reaction and ErCi. The reaction take place in the following two-steps of reactions, namely
(1) the formation of intermediates i.e. carbocations, whose reaction occurs slowly and (2) the fast reaction between the carbocation and the nucleophile. Alkylating agents will be reversibly electro–oxidized/reduced to form a carbocation compound then it irreversibly reacts with the nucleophile substance. Chemical reactivity was determined based on the value of the forward reaction rate constant (kf) on the second step of reactions.
The chemical reactivity of CLB and MEC was calculated from the electrochemical parameters derived from their cyclic voltammogram measured in the solvents containing 0.1 M and 0.2 M sodium perchlorate. Nicholson-Shain approach has been applied to calculate the chemical reactivity based on the derived parameters of both alkylating agents. The same measurement procedure was employed when additional nucleophile substance was included into the solution of the alkylating agent. Solvents used to dissolve both alkylating agents were included water, acetone and acetonitrile, while 4-chloro butironitril (CBN), pyridine (Py) and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) were added as the additional nucleophile substances. The important electrochemical parameters obtained from the cyclic voltammogram are an anodic and a cathodic peak’s currents (potentials). The rate constant of each forward reaction was determined with the competitive methods at different potential scan rates.
The profile deduced from the voltammogram of CLB and MEC exhibited typical characteristics of the reversible electrochemical reaction followed by the irreversible chemical reaction. All voltammograms were characterized based on the respective parameters: anode peak’s potentials (Epa), cathode peak’s potential (Epc), both anode
peak’s current (Ipa) and cathode peak’s current (Ipc), half-wave potential (E1/2) and peak’s
potential separation (ΔEp .) The range of working potential obtained from this study were 0.5 to 1.2 V for CLB in water; 0.8 to 1.5 V for CLB in acetone and acetonitrile, and 0.8 to 1.7 V for MEC in acetone and acetonitrile. The values of Ipa and Ipc were liniearly
correlated with v1/2 as indicated by the high average correlation coefficient i.e. 90% (R2> 0.90). Such liniear correlation strongly suggested that the system being studied obeyed Randles-Sevcik equation. In addition those parameters showed that the processes occurred on the surface of working electrode were diffusion-controlled. The average ratio of Ipc/Ipa was less than one, which conlude the reaction mechanism should be the
reversible electrochemical reaction followed by irreversible chemical reaction.
At the potential scan rate of 1 V/s, the obtained pairs potentials of Epa and Epc for CLB
were 0896 V and 0.788 V ; 1.240 V and 1.160 ; 1.130 V and 1.070 V in water, acetone and acetonitrile, respectively. At the same scan rate, the resulting pairs potential of MEC were 1.200 V and 1.480 V ; 1.460 V and 1.200 V in acetone and acetonitrile, respectively. MEC was apparently not electroactive in water because its peak’s current of oxidation and reduction were hardly observed from its voltammogram. The addition of nucleophilic substance shifts the peaks’s of oxidation-reduction potential but did not alter the range of working potential . These results, therefore, gave insight into the effect of solvents variation to the oxidation-reduction potential of CLB and MEC.
The calculated chemical reactivity based on the Nicholson-Shain method exhibited the dependency to the solvent property. The calculated chemical reactivity of CLB in three different solvents was 0.4485 s-1, 0.2248 s-1; 0.0245 s-1 in water, acetone, and acetonitrile, respectively. Whereas for MEC, its respective value were 0,4828 s-1 and 0.2724 s-1 in acetone and acetonitrile. Solvents with a larger donors number, i.e. water will provide a greater chemical reactivity for CLB and MEC. The addition of nucleophilic compounds i.e. CBN, Py and NAD+ changed the values of reactivities of CLB and MEC, but did not change the reactivities order of the solvents used. The respective reactivity value of CLB in in water, acetone and acetonitrile after the addition of CBN are 0.4897 s-1, 0.2715 s-1, and 0.2676 s-1; when after the addition of Py the value became: 0.0993 s-1, 0.0541 s-1, and 0.0077 s-1, while after the addition of NAD+ became 0.0248 s-1, 0.1773 s-1, 0.0868 s-1. In case for MEC, the reactivity value in the solvent of acetone and acetonitrile, in the presence of CBN are 0.1601 s-1 and 0.1365 s-1, respectively. While in the presence of Py and NAD+, its respective value became 0.2056 s-1 ; 0.1799 s-1 and 0.4323 s-1 ; 0.0398 s-1. The reactivity of MEC in water can not be calculated because this molecule is not electroactive in the water. The reactivities data of CLB and MEC in accordance with clinical data that is LD50. The reactivities obtained in this exhibited strong correlation
with the clinical data of CLB and MEC so that the method developed here is worth to be considered to be applied in estimating the chemical reactivity of cancer related drugs. Keywords: chemical reactivity, alkylating agents, cyclic voltammetry, nucleophilic
