Biosintesis dan Sintesis Semisintetik Senyawa Organik

BAB I PENDAHULUAN

Senyawa organik pada umumnya dihasilkan oleh organisme hidup. Dalam tubuh makhluk hidup, senyawa organik disintesis melalui proses biosintesis dan dikatalisis oleh biokatalis yg disebut enzim. Enzim ini tentu saja sangat spesifik. Biosintesis atau lebih dikenal dengan istilah metabolisme (dengan proses in vivo tentunya) sehingga produk sintesisnya dikenal dengan nama metabolit. Ada dua jenis produk metabolisme yaitu metabolit primer dan sekunder.

Kandungan senyawa organik dalam metabolit sekunder pada makhluk hidup relatif rendah, padahal kebutuhan akan senyawa-senyawa organik terus meningkat, sehingga ahli kimia organik berusaha mensintesis senyawa yang sama, mirip atau berfungsi mirip di laboratorium (in vitro). Meniru proses in vivo di laboratorium tentu sangat sulit sehingga prosesnya lebih tepat bila disebut sebagai proses semisintetik (Sitorus : 2008). Proses semisintetik mencakup transformasi metabolit primer dan sekunder menjadi senyawa lain yang lebih bermanfaat.

Di laboratorium kimia organik tentu saja ahli kimia organik sintetik sangat intens melakukan penelitian semisintetik. Demikian juga halnya ahli kimia industri telah banyak menghasilkan produk sintetik seperti : bahan-bahan farmasi, berbagai surfaktan, pupuk kimia, polimer, zat warna, pewangi dan masih banyak yang lainnya. Berbagai cara telah dilakukan oleh para ahli agar sintesis senyawa organik semakin maksimal dan semakin banyak jenis senyawa organik melalui proses sintetik. Dewasa ini telah berkembang suatu metode sintesis organik melalui pendekatan pemutusan (diskoneksi) atau pendekatan sinton atau retrosintesis.

BAB II

PENDEKATAN RETROSINTESIS

2.1.Pengertian Retrosintesis

Retrosintesis adalah proses pembelahan molekul target sintesis menuju ke material start yang tersedia melalui serangkaian pemutusan ikatan (diskoneksi) dan perubahan gugus fungsi atau interkonversi gugus fungsional (IGF)

Retrosintesis merupakan teknik pemecahan masalah untuk mengubah struktur dari molekul target sintesis menjadi bahan-bahan yang lebih sederhana melalui jalur yang berakhir pada suatu material start yang sesuai dan mudah didapatkan untuk keperluan sintesis.

Dengan cara ini, struktur molekul yang akan disintesis ditentukan terlebih dahulu yang dikenal sebagai molekul target (MT). Selanjutnya MT dipecah/dipotong/diputus dengan seri diskoneksi.

Diskoneksi merupakan operasi balik suatu reaksi melalui suatu pembelahan yang dibayangkan dari suatu ikatan agar memutus molekul ke dalam material start yang mungkin.

Diskoneksi seringkali tidak mudah dilaksanakan, tetapi ikatan yang diputuskan haruslah berhubungan dengan reaksi-reaksi yang dipercaya serta metodenya dapat dikerjakan di laboratorium. Dari hasil diskoneksi, akan didapatkan bahan awal (Starting Material) atau sinton yang tersedia atau disediakan melalui suatu reaksi Interkonversi Gugus Fungsi (IGF).

2.2.Pedoman pendekatan diskoneksi

Pedoman yang sangat penting untuk menciptakan suatu sintesis dengan pendekatan diskoneksi adalah sebagai berikut :

1. Analisis :

a. Mengenal gugus fungsional dan molekul target (MT)

b. Melakukan diskoneksi dengan metode yang berhubungan dengan reaksi-reaksi yang mungkin.

c. Memastikan bahwa reagen pereaksi hasil pemutusan (sinton) tersedia sebagai starting Material.

2. Sintesis :

a. Membuat rencana berdasarkan analisis Starting Material dan kondisi sintesis.

b. Bila tidak berhasil dalam sintesis dilakukan pengkajian ulang analisis.

Dengan demikian hal yang mutlak harus dipahami agar sukses dalam melakukan sintesis dengan pendekatan diskoneksi adalah memahami reaksi-reaksi senyawa organik maupun jenis-jenisnya serta mekanismenya. Ada kalanya pada waktu melakukan analisis terhadap bahan awal (Starting Material) hasil diskoneksi harus diperoleh dari suatu hasil sintetik yang dikenal dengan IGF tadi, karena reaksi senyawa organik tidak lain dan tidak bukan adalah transformasi gugus fungsional.

2.3.Contoh pendekatan diskoneksi

Pada kesempatan ini kita akan menggunakan analisis retrosintetik untuk menguraikan senyawa alkohol (1) dibawah ini sebagai molekul target :

Gambar 1. 1,5-difenil-1-pentanol(1)

Sering kali terdapat lebih dari satu analisis yang “benar” untuk sintesis suatu senyawa.

Begitu pula pada senyawa (1) diatas, terdapat sedikitnya 6 cara berbeda untuk menguraikan molekul tersebut. Melalui keenam metode ini, akan dijelaskan prinsip-prinsip analisis retrosintesis serta keunggulan masing-masing jalur.

1. Analisis retrosintetik I

Dalam analisis retrosintesis, hal pertama yang dilakukan ialah melakukan pemutusan (diskoneksi) ikatan, kemudian memberi muatan positif pada salah satu ujung ikatan yang diputuskan dan muatan negatif pada fragmen yang lain.

Gambar 2. Analisis Retrosintetik 1 untuk alkohol (1)

Diskoneksi dinyatakan dengan garis bergelombang melintasi ikatan yang akan diputus. Panah retrosintetik menyatakan alur mundur dari molekul target ke sepasang fragmen bermuatan. Fragmen bermuatan tersebut disebut dengan sinton. Pereaksi ekuivalen sinton dinyatakan dengan tanda garis datar tiga.

Secara teoritis diskoneksi ini dapat menghasilkan dua pasang fragmen bayangan. Jika belum yakin dalam meletakkan muatan positif dan negative pada kedua fragmen, maka sebaiknya tuliskan kedua pasang fragmen dengan muatan yang berbeda.

Pada kasus ini, karena oksigen lebih bersifat elektronegatif daripada karbon, maka tidaklah mudah mendapatkan pereaksi sederhana dari sinton pada jalur A. sebaliknya pada jalur B, tersedia pereaksi Grignard. Oleh karena itu, dari analisis ini tampak bahwa senyawa (1) dapat disintesis secara langsung melalui reaksi sebagai berikut :

Gambar 3. Sintesis I untuk senyawa (1) 2. Analisis retrosintetik II

Analisis retrosintetik lain juga mungkin untuk senyawa (1) melibatkan diskoneksi ikatan karbon-karbon :

Gambar 3. Analisis Retrosintesis II untuk alkohol (1)

Pada proses ini juga terdapat dua pasang fragmen terionkan yang mungkin, namun hanya jalur D yang terdapat pereaksi ekuivalen yang sederhana, yaitu pereaksi Grignard dan aldehida. Jalur sintesisnya ditunjukkan sebagai berikut :

Gambar 4. Sintesis 2 untuk alkohol (1) 3. Analisis Retrosintetik III

Pada retrosintetik kali ini dan berikutnya, tidak lagi dimunculkan dua pasang sinton, namun tetap dipertimbangkan ketika memilih jalur yang tepat untuk sintesis molekul target.

Retrosintetik senyawa (1) dapat dinyatakan seperti gambar di bawah ini, dengan pereaksi epoksida dan pereaksi Grignard.

Analisis Retrosintetik:

Gambar 5. Analisis Retrosintetik III

Sintesis

Gambar 6. Sintesis III senyawa (1) 4. Analisis Retrosintetik IV

Pendekatan berbeda untuk sintesis (1) dapat didasarkan pada pengetahuan bahwa keton dapat dengan mudah direduksi menjadi alkohol sekunder dengan pereaksi seperti natrium borohidrida atau litium aluminium hidrida. Interkonversi gugus fungsi (IGF) adalah istilah yang digunakan dalam analisis retrosintetik untuk menggambarkan proses mengubah (mengonversi) satu gugus fungsi ke gugus fungsi lain, misalnya dengan oksidasi atau reduksi.

Proses ini dinyatakan menggunakan tanda dengan ‘IGF’ diatasnya. Oleh karena itu bila alkohol (1) diubah menjadi keton terlebih dahulu, maka pasangan sintonnya dapat ekuivalen dengan adisi enolat dari asetofenon pada halida. Perlu diingat bahwa proton α dari gugus karbonil bersifat asam dapat ditarik oleh basa sehingga menghasilka n suatu enolat.

Analisis retrosintetik

Gambar 7. Analisis Retrosintetik IV Sintesis

Gambar 8. Sintesis IV senyawa (1)

5. Analisis Retrosintetik V

Analisis lebih lanjut untuk alkohol (1) melibatkan lagi interkonversi gugus fungsi dari alkohol ke keton sebelum pemutusan ikatan karbon-karbon. Analisis ini menghasilkan sinton yang bermuatan positif pada posisi β terhadap karbonil dan sinton nukleofil karbon.

Analisis Retrosintetik

Gambar 9. Analisis Retrosintetik V Sintesis

Gambar 10. Sintesis V senyawa (1)

6. Analisis Retrosintetik VI

Analisis retrosintetik ini juga memerlukan interkonversi gugus fungsi dari alkohol ke keton diikuti IGF kedua untuk membentuk keton tak jenuh-α,β. Adisi litium difenilkuprat pada dienon menghasilkan kerangka karbon yang diperlukan.

Analisis retrosintetik

Gambar 11. Analisis Retrosintetik VI

Sintesis

Gambar 12. Sintesis VI senyawa (1)

Keunggulan keenam jalur sintesis senyawa (1) Ringkasan retrosintetik

Penentuan metode sintesis yang terbaik

Diskoneksi yang lebih dekat dengan pusat molekul biasanya menghasilkan penyederhanaan terbaik, karena itu metode 1, 2 dan 4 lebih disukai. Jumlah tahap sintesis harus dibuat sesedikit mungkin kecuali terdapat keuntungan bila digunakan IGF, yakni dapat membantu pembentukan ikatan karbon-karbon dengan rendemen yang tinggi.

Ekivalen sintetik untuk sinton-sinton lazim.

Sinton Ekivalen sintetik R+ R-Br, R-I, R-OMs, R-OTs R=alkil, bukan aril

R- RMgBr, RLi, LiCuR2

Pada suatu rantai hidrokarbon, pola berselang-seling antara posisi elektrofilik dan nukleofilik dapat berlanjut sepanjang rantai hidrokarbon tak jenuh dengan syarat ikatan- ikatan rangkap berada dalam keadaan terkonjugasi dengan gugus karbonil. Penulisan pola berselang-seling muatan bayangan atau ‘kepolaran laten’ pada molekul target dapat sangat membantu dalam mengenali sinton potensial. Kepolaran laten pada senyawa alkohol (1) ditunjukkan sebagai berikut :

Pada molekul target yang memiliki lebih dari satu substituent atau gugus fungsi, sintesis harus dirancang dengan mempertimbangkan posisi akhir dari gugus fungsi tersebut.

Untuk senyawa 1,3-disubstitusi dan 1,5-disubstitusi, kepolaran laten terhadap kedua gugus fungsi tersebut berimpit. Hubungan yang bersesuaian di antara kepolaran-kepolaran laten yang berimpit ini dikenal sebagai pola konsonan. Hal yang demikian dapat mempermudah dalam analisis retrosintesisnya.

Contoh :

Analisis retrosintesisnya :

Namun pada senyawa 1,4-dikarbonil, pola muatan laten tidak saling berimpit.

Hubungan ini disebut disonan. Oleh karena itu kita memerlukan pereaksi yang tidak mengikuti kepolaran normal. Istilah bahasa Jerman umpolung digunakan untuk menggambarkan keadaan semacam ini, yakni ketika kita harus menggunakan sinton dengan kepolaran yang berlawanan dengan kepolaran normal dari gugus fungsi yang diperlukan.

Analisis retrosintesisnya :

Beberapa pereaksi ekuivalen yang dapat digunakan dalam kasus ini ialah : a) Epoksida

b) α-haloketon atau α-haloester

c) 1,3-ditiana

d) Adisi sianida

2.4.Pendekatan Diskoneksi Beberapa Golongan Senyawa Organik

Berikut ini akan dibahas sintesa beberapa golongan senyawa organik (golongan berdasarkan gugus fungsional) dengan pendekatan diskoneksi. Ulasan ini dapat digunakan sebagai pedoman untuk sintesa senyawa golongan lain yang tidak dikemukakan dalam pembahasan ini.

1. Senyawa Aromatik

Reaksi terhadap senyawa aromatic khususnya derivate benzene adalah substitusi elektrofilik, sehingga analisis didasarkan pada reaksi tersebut.

Contoh: Molekul Target (MT) adalah sebagai berikut.

Bahan awal (starting material) p-amino benzoate adalah tidak lazim dan diskoneksi (C--- NH2) juga tidak ada. Maka untuk mendapatkan bahan awal yang tersedia harus dilakukan IGF sebagai berikut:

Berdasarkan IGF di atas maka diskoneksi (C----NO2) adalah sesuatu yg logis dan umum dilakukan.

Analisis II:

Berdasarkan kedua analisis di atas maka di susun rencana sintesis sebagai berikut:

2. Senyawa Organo Halida

Terdapat dua macam senyawa organo halida yaitu organo halida aromatic (Ar-X) dan halida alifatik (R-X). untuk halida arimatik maka sintesanya adalah berdasarkan reaksi substitusi elektrofilik seperti (1), yaitu melalui halogenasi (X2) yang pada umumnya adalah Cl2 dan Br2 dengan katalis AlX3 atau FeX3. Sedangkan untuk halida alifatik reaksi sintesanya lazim melalui reaksi substitusi nukleofilik. Walaupun halida adalah nukleofil yang realatif lemah namun dengan penggunaan katalis akan dapat mengganti gugus (-OH) dari suatu alkohol.

Reaktivitas alkohol adalah tersier > sekunder > primer. Katalis yang biasa digunakan adalah asam yang akan memprotonasi gugus (-OH), menjadi H2O⁺ yang merupakan suatu gugus pergi yang sangat baik.

Contoh : Molekul target (MT) adalah t-butil klorida (CH3)3-C-Cl

Analisis: C Cl

(CH3)3 – C Cl (CH3)3-C-OH + HCl

OH

OH MgBr O

Br MgBr

OH Sintesa:

(CH3)3-C-OH + HCl (CH3)3-C-Cl (MT) + (HOBF3)H⁺ (fasa air)

3. Senyawa Alkohol

Alkohol lazim disintesa dengan mereaksikan senyawa karbonil dengan pereaksi Grignard (R-Mg X) dengan reaksi umum sebagai berikut.

Formaldehid + R – MgX Alkohol 1^o Aldehid + R – MgX Alkohol 2^o

Keton + R – MgX Alkohol 3^o

Untuk alkohol 1^o maka gugus samping (-R) dari alcohol tergantung dari pereaksi Grignard, sedangkan untuk alkohol 2^o dan 3^o tergantung pada pereaksi Grignard serta aldehid dan ketonnya.

Contoh: Molekul Target adalah 2,4-dimetil 2-pentanol

Analisis:

C – C

+

Sintesis:

Mg/Et2O Me2C = O

(MT)

Jalur lain untuk sintesa alkohol adalah dengan cara substitusi nukleofilik (Sn) organo halogen dengan basa kuat (OH^-) dengan reaksi umum sebagai berikut.

R-X + OH^- R-OH + X

Dengan melakukan analisis dan sintesa terhadap suatu MT tertentu maka pendekatan diskoneksi dapat diaplikasikan pada sintesa alcohol lewat jalur Sn ini.

Me O Me

Me OH

Me OH

Me OMe (MT)

R C O OH

R C O Cl

R C O OR' R C O

NR2

R O R

O O

C C

4. Senyawa Eter dan Tioeter (Eter sulfida)

Golongan eter (R-O-R) atau tioeter (R-S-R) mempunyai struktur yang mirip karena baik O maupun S berada pada satu golongan SPU yaitu golongan VIA. Sintesa eter paling lazim adalah melalui mekanisme Sn yang dikenal dengan sintesa Williamson dengan (RO = alkoksi atau PhO = Fenoksi) sebagai nukleofil.

Contoh: Molekul target adalah Wallflower

Analisis :

C---O

Bahan awal (sinton) Me – Y adalah suatu reagenpengasilisasi fenol dan dimetil sulfat (MeO)2

SO2 lazim digunakan untuk metilasi fenol Sintesis :

+ NaOH

Untuk eter alifatik maka nukleofilnya adalah alkoksi (RO) dan pereaksi yang umum, juga adalah senyawa organo halide dengan reaksi umum sebagai berikut (Sintesa Williamson).

R-X + R’O R-O-R’ + X^-

5. Senyawa Karbonil

Senyawa karbonil adalah merupakan turunan atau derivate asam karboksilat melalui jalur sintesa sebagai berikut:

Me O Me + Me - Y

CH3

SO2

CH3

NHC O

CH₂ CH₃

NH₂ CH₃ CH₂ C O

Cl

NO₂

NO₂ NH₂

CH₃ CH₂ C O

Cl

NH O

CH₂ CH₃ C

Reaksi derivatisasi di atas adalah merupakan dasar sintesis dengan MT senyawa karbonil melalui pendekatan diskoneksi.

Contoh : Molekul target suatu amida

Analisis :

Sintesis:

(MT)

6. Senyawa Alkena

Sintesa alkena adalah melalui jalur eliminasi dan yang umum adalah eliminasi air dari suatu alcohol (dehidrasi) atau dehidrohalogenasi (eliminasi HX ). Sesuai dengan Hukum Sayitz maka alkena yang banyak subtituennya akan lebih muda terbentuk (Stabilitas termodinamika) Contoh :

a. Molekul Target

NH O

CH₂ CH₃ C

+

IGF (reduksi) C-N (nitrasi)

C---N

HNO3/H2SO4 H2, Pd , C

Reduksi

Analisis

CH₃

C – C

Sintesis

b. Molekul target

Analisis

OH

O

+

^CH3 - Mg - Br (X)

O

+

^CH3 - Mg - Br (X)

CH₃

OH

H₂SO₄ dehidrasi

Ph Ph

CH ₃

Ph Ph

CH

₃

^Ph

Ph

CH

₃

OH

O

Ph-C-CH

₂

-CH

₃

+ Ph-Mg Br(X)

IGF/dehidrasi

IGF/dehidrasi C-C

Sintesis

2. reduksi senyawa bergugus fungsi jamak alkena dan karbonil.

Dalam hal ini perlu selektivitas reduktor agar tidak terjadi reduksi kedua gugus tidak jenuh seperti berikut.

Padsa prakteknya kemoselektivitas ini dilakukan dengan cara melindungi gugus yang tidak dikehendaki untuk bereaksi dengan suatu gugus pelindung (protecting group). Pada akhir reaksi gugus pelindung dilepaskan dengan suatu pereaksi tertentu. ada tiga persyaratan yang harus dipenuhi oelh suatu gugus pelindung sebagai berikut:

1. mudah dimasukkan dan dikeluarkan

2. resisten terhadap reagen yang akan menyerang gugus fungsional yang tidak terlindungi.

3. resisten terhadap semua jenis reagen lain yang mirip, yang dapat menyerang gugus yang tidak terlindungi.

O

Ph-C-CH

₂

-CH

₃

+ Ph-Mg Br(X)

Ph CH

₃

Ph OH

Ph CH

₃

(MT) Ph

R CH CH C CH₃ [H], Kat R CH₂ CH₂ C CH₃

O O

+

R CH₂ CH₂ C CH₃ OH

Contoh : reduksi terhadap ketoester

Reduksi terhadap ketoester diatas secara teoritis akan menghasilkan dua jenis reaktan sebagai molekul target (MT). Agar reaksi kemoselektif maka gugus keton harus dilindungi sehingga diperoleh hasil selektif 4-keto pentanol (sebagai molekul target).

Untuk gugus keton (karbonil) digunakan gugus pelindung dengan dasar reaksi sebagai berikut:

1. reaksi antara aldehid dan keton akan menghasilkan asetal.

2. reaksi antara alkohol dan keton akan menghasilkan ketal.

Dengan demikian molekul target di atas harus disintesa dengan gugus pelindung melalui jalur berikut.

O

O OEt

NaBH₄

OH

O

OEt O

OH (MT)

R OH R' C H

O

R C R' (Asetal) OH

H

+

R OH R' C

O

R C R' (Ketal) OH

R''

+ R''

Beberapa gugus pelindung untuk gugus fungsional senyawa organic dan cara menegluarkannya, ketahanan dan reaksinya adalah seperti pada table dibawah ini

Tabel beberapa gugus pelindung (GP)

gugus GP Penambahan Penghilangan Ketahanan GP GP bereaksi dengan Aldehida Asetal R-OH, H⁺ H2O/H⁺ Nukleofil, basa,

reduktor

Elektrofil, oksidator

Keton Ketaal R-OH, H⁺ H2O/H⁺ Nukleofil, basa, reduktor

Elektrofil, oksidator

Asam Ester Alkohol H2O/H⁺, OH^- Basa lemah, elektrofil

Basa kuat, nukleofil, reduktor

Alkohol/fenol eter basa hidrogenasi nukleofil elektrofil (sumber: Sitorus, 2008)

O

OEt O

HO OH

(Gugus Pelindung) O

OEt O O

H₂O, H+

(Melepaskan gugus pelindung)

OH O

(MT)

BAB III PENUTUP

3.1.Kesimpulan

Diskoneksi pada hakekatnya adalah merupakan kebalikan langkah sintetik atau reaksi senyawa organic. Ikatan yang didiskoneksi adalah yang diyakini reaksi tersebut dapat berlangsung berdasarkan kaedah – kaedah dan jenis-jenis reaksi yang mungkin.

Diskoneksi merupakan operasi balik suatu reaksi melalui suatu pembelahan yang dibayangkan dari suatu ikatan agar memutus molekul ke dalam material start yang mungkin.

Diskoneksi seringkali tidak mudah dilaksanakan, tetapi ikatan yang diputuskan haruslah berhubungan dengan reaksi-reaksi yang dipercaya serta metodenya dapat dikerjakan di laboratorium. Dari hasil diskoneksi, akan didapatkan bahan awal (Starting Material) atau sinton yang tersedia atau disediakan melalui suatu reaksi Interkonversi Gugus Fungsi (IGF).

Pedoman yang sangat penting untuk menciptakan suatu sintesis dengan pendekatan diskoneksi adalah analisis dan sintesis.

Hal yang mutlak harus dipahami agar sukses dalam melakukan sintesis dengan pendekatan diskoneksi adalah memahami reaksi-reaksi senyawa organik maupun jenis- jenisnya serta mekanismenya. Ada kalanya pada waktu melakukan analisis terhadap bahan awal (Starting Material) hasil diskoneksi harus diperoleh dari suatu hasil sintetik yang dikenal dengan IGF tadi, karena reaksi senyawa organik tidak lain dan tidak bukan adalah transformasi gugus fungsional.

DAFTAR PUSTAKA

Sitorus, Marham, 2008, Kimia Organik Fisik, Graha Ilmu, Yogyakarta.

Willis, C.L., 2004, Sintesis Organik, Penerjemah : Marcellino Rudyanto, Airlangga University Press, Surabaya.