KATALISIS Dhadhang Wahyu Kurniawan @Dhadhang_WK Laboratorium Farmasetika Unsoed
11/20/2012
1
• Pengertian katalis, Pengertian katalis • Cara kerja katalis, • Macam katalisator k li – asam spesifik, – basa spesifik, – asam umum, – basa umum, – nukleofilik 11/20/2012
2
• Kecepatan Kecepatan reaksi secara bertahap dipengaruhi reaksi secara bertahap dipengaruhi oleh keberadaan suatu katalis. • Contoh: hidrolisis sukrosa dalam air pada suhu Contoh: hidrolisis sukrosa dalam air pada suhu kamar sangat lambat (dapat diabaikan), tetapi dengan penambahan sejumlah kecil asam dengan penambahan sejumlah kecil asam, kecepatan reaksi bertambah (asam berlaku sebagai katalisator) sebagai katalisator).
11/20/2012
3
Pengertian Katalis Katalis/katalisator adalah substansi yang menambah konstanta kecepatan reaksi tetapi tidak mengubah konstanta kesetimbangan reaksi. reaksi Katalis adalah substansi yang mempengaruhi kecepatan reaksi tanpa dirinya sendiri kecepatan reaksi tanpa dirinya sendiri menjadi berubah secara kimiawi. Katalis tidak dikonsumsi dalam keseluruhan reaksi, maksudnya setelah dikonsumsi akan dilepaskan 11/20/2012
4
Pengertian Katalis Katalis Katalis memberikan efeknya karena dapat memberikan efeknya karena dapat berinteraksi baik secara kovalen atau nonkovalen dengan reaktan Katalis yang menurunkan kecepatan reaksi adalah katalis negatif. Katalis mungkin berubah secara permanen K t li ki b b h selama reaksi Æ inhibitor Selama katalis tidak berubah pada akhir reaksi Æ Selama katalis tidak berubah pada akhir reaksi Æ tidak mengubah keseluruhan ΔG°, di mana ΔG° = ‐R.T. ln K 11/20/2012
5
Katalisis • ΔG° = ‐R.T. ln K – Posisi kesetimbangan suatu reaksi reversibel tidak berubah – Katalis meningkatkan kecepatan reaksi sehingga kesetimbangan dicapai lebih cepat – Keq = kforward/kreverse
11/20/2012
6
Katalisis Katalisis
11/20/2012
7
Bagaimana katalis beroperasi??? 1. Katalis Katalis bergabung dengan reaktan (substrat) bergabung dengan reaktan (substrat) membentuk suatu intermediet (kompleks) kemudian terurai membentuk katalis dan produk. Katalis menurunkan energi aktivasi (Ea) d dengan mengubah proses mekanisme. b h k i Katalis menurunkan Ea dengan meningkatkan energi intermediet sehingga meningkatkan energi intermediet sehingga energi yang harus dilewati untuk menjadi produk menjadi kecil produk menjadi kecil. 11/20/2012
8
Bagaimana katalis beroperasi?? 2. Katalis Katalis mungkin bereaksi dengan mungkin bereaksi dengan membentuk radikal bebas, sehingga terjadi reaksi berantai. Radikal bebas sangat reaktif karena berenergi bebas tinggi sehingga kecepatan reaksi menjadi besar. Inhibitor berlaku sebagai pemutus rantai (antiknock agents). Inhibitor diperlukan dalam reaksi‐reaksi eksplosif. 11/20/2012
9
Aksi katalitik • Katalis Katalis homogen: katalis berada dalam satu homogen: katalis berada dalam satu fase dengan reaktan, contoh: katalis dan reaktan terlarut dalam media reaktan terlarut dalam media. • Katalis heterogen: katalis berada dalam fase yang berbeda dengan reaktan contoh: katalis yang berbeda dengan reaktan, contoh: katalis berupa padatan dan reaktan terlarut dalam media. media
11/20/2012
10
Aksi katalitik Aksi katalitik • Katalis serbuk wadah/katalis lapisan pada dinding p p g wadah Æ platina. – Prosesnya disebut katalisis kontak: pereaksi teradsorpsi pada permukaan kasar katalis yang dikenal sebagai pusat aktif Æ adsorpsi ini berakibat melemahnya ikatan molekul berakibat melemahnya ikatan molekul, menurunkan energi aktivasi. – Molekul teraktivasi kemudian dapat bereaksi Molekul teraktivasi kemudian dapat bereaksi dan hasil reaksi melepaskan diri dari dari permukaan katalis. 11/20/2012
11
Macam Katalisator 1. Katalisator asam spesifik p Katalisis oleh proton yang tersolvasi, yaitu H3O+ 2. Katalisator basa spesifik Katalisis oleh OH‐ dalam larutan 3. Katalisator asam umum proton selain H3O+ ,, Katalisis oleh asam p dilakukan oleh asam Bronsted sebagai donor proton p 11/20/2012
12
Macam Katalisator 4 Katalisator basa umum 4. Katalisis oleh basa Bronsted selain OH‐ dan basa ini berlaku sebagai penerima proton Æ proton Æ yaitu berbagi pasangan elektron dengan proton 5. Katalisator nukleofilik Katalisis oleh suatu basa (nukleofil) yang (nukleofil) yang berbagi pasangan elektron dengan atom (biasanya atom karbon) selain atom karbon) selain proton. proton 11/20/2012
13
Macam Katalisator 6 Katalisator 6. Katalisator elektrofilik elektrofilik Katalisis oleh asam Lewis, seperti ion logam, yang berlaku sebagai katalisator dengan cara yang berlaku sebagai katalisator dengan cara menerima pasangan elektron.
11/20/2012
14
Katalisis Asam Spesifik Katalisis Asam Spesifik • Hidrolisis Hidrolisis ester adalah contoh reaksi katalis ester adalah contoh reaksi katalis asam spesifik. Di dalam larutan asam kuat, reaksi hanya dipercepat oleh ion hidronium reaksi hanya dipercepat oleh ion hidronium. • Persamaan lajunya: L j kas [H3O]+[S] Laju = k Dimana [S] : konsentrasi ester kas : tetapan laju reaksi hidrolisis spesifik asam 11/20/2012
15
Katalisis Asam Umum Katalisis Asam Umum y Seperti halnya katalisis spesifik, berhubungan dengan proton diintroduksikan t dii t d k ik kepada k d bagian b i molekul l k l yang direaksikan dan serangan elektron terhadap molekul air. y Perbedaannya adalah bahwa katalisator asam spesifik menggunakan ion hidronium sedangkan reaksi katalisis asam umum menggunakan sembarang asam Bronsted sebagai donor proton. y Untuk katalisis asam umum, pembentukan kation SH+ merupakan tahap lambat. Reaksi lambat Reaksi kondensasi aidol adalah merupakan contoh reaksi yang bergantung kepada mekanisme. 11/20/2012
16
Katalisis Basa Umum Katalisis Basa Umum • Katalis Katalis menyerang air dulu, kemudian air menyerang air dulu kemudian air menyerang reaktan. • Air menjadi lebih polar sehingga interaksi Air menjadi lebih polar sehingga interaksi elektrostatiknya menjadi lebih besar dan kecepatan reaksi meningkat kecepatan reaksi meningkat.
11/20/2012
17
Katalisis Nukleofilik Katalisis Nukleofilik • Katalis langsung menyerang reaktan. Basa g g y g Bronsted akan mendonasikan pasangan elektronnya pada atom lain selain hidrogen ( (biasanya C atau P) ) • Molekul intermediet mempunyai E yang besar maka diserang oleh air dengan kecepatan lebih besar daripada menyerang reaktan sehingga kecepatan reaksi menjadi reaktan sehingga kecepatan reaksi menjadi lebih besar 11/20/2012
18
Katalisis nukleofilik intramolekuler Katalisis nukleofilik intramolekuler • Gugus Gugus dalam molekul menyerang gugus lain dalam molekul menyerang gugus lain dalam molekul tersebut • Dapat juga nukleofil menyerang air dulu, Dapat juga nukleofil menyerang air dulu kemudian air menyerang reaktan (dinamakan intramolekuler basa umum) intramolekuler basa umum)
11/20/2012
19
Faktor‐faktor yang menentukan mekanisme k k l k katalitik • Struktur Struktur R dan X dari senyawa asil (R R dan X dari senyawa asil (R‐CO‐X) CO X) • Kekuatan nukleofilik dan stabilitas intermediet nukleofilik terasilasi. intermediet nukleofilik terasilasi. Nukleofilik lemah Æ katalisis lemah • Polaritas solven. Dengan solven yang Polaritas solven. Dengan solven yang polaritasnya semakin tinggi, maka katalisis nukleofilik lebih terdorong untuk terjadi. Nukleofilik dinyatakan kuat jika tingkat kebasaan tinggi Æ pKb tinggi. 11/20/2012
20
Intramolecular general base catalysis and intramolecular nucleophilic catalysis: Hydrolysis of aspirin and 3 5‐ nucleophilic catalysis: Hydrolysis of aspirin and 3,5‐ dinitroaspirin.
11/20/2012
21
Buffer, General Acid‐Base, and Nucleophilic‐Electrophilic l hl l h l Catalysis l • The catalysis of chloramphenicol hydrolysis by y p y y y phosphate and acetate buffer was reported in the 1950s (Fig. 79).These buffer species, like hydronium ion and hydroxide ion, participate in formation or breakdown of activated complexes of various reactions and determine their reaction rate reactions and determine their reaction rate. • Equation (2.105) describes the degradation rate constant assuming that the monoanion or the constant, assuming that the monoanion or the dianion of phosphoric acid, or both, participates in degradation of the drug. g g 11/20/2012
22
Effect of phosphate concentration on hydrolysis rate (reciprocal of the half‐life t50) of chloramphenicol half‐life, t50) of chloramphenicol (pH 7.00, 97.3°C) (Reproduced with permission of the American Pharmaceutical Association.)
11/20/2012
23
Buffer, General Acid‐Base, and Nucleophilic‐Electrophilic l hl l h l Catalysis l • Many Many studies on general acid studies on general acid‐base base catalysis have catalysis have been conducted with phosphate as the buffer species. It has been reported that various phosphate species (there are four possible phosphate species) enhance degradation of various drug substances such as benzylpenicillin, cefadroxil, and carbenicillin h b l i illi f d il d b i illi (Fig. 80). • Degradation enhanced by phosphate has also been Degradation enhanced by phosphate has also been reported for codeine, spironolactone, and heroin as well as many other drug substances. well as many other drug substances. 11/20/2012
24
y Effect of phosphate p p
concentration on hydrolysis rate of representative drug substances for which substances for which phosphate buffer catalysis is observed: y O Benzylpenicillin, 60°C, pH 7.05; y Δ cefadroxil, 35 Δ cefadroxil 35°C C, pH 7.20; pH 7 20; y • carbenicillin, 35°C, pH 7.48. (with permission.) 11/20/2012
25
Buffer, General Acid‐Base, and Nucleophilic‐Electrophilic l hl l h l Catalysis l • In addition to possible general acid‐base catalysis where a buffer can act as either a proton donor or h b ff t ith t d acceptor (Bronsted acid or base), buffer species can also act as a Lewis acid or base through nucleophilic or electrophilic mechanisms. • As shown in Scheme 73 and discussed earlier, aspirin anion undergoes intramolecular general base catalysis anion undergoes intramolecular general base catalysis in the neutral pH region. In contrast, intramolecular nucleophilic catalysis to form a tetrahedral intermediate that oes on to form the mi ed intermediate that goes on to form the mixed anhydride has been demonstrated for the hydrolysis of 3,5‐dinitroaspirin. 11/20/2012
26
Buffer, General Acid‐Base, and Nucleophilic‐Electrophilic l hl l h l Catalysis l • In the hydrolysis of pnitrophenyl esters, polyalcohol anions such as the glucose anion act by a nucleophilic mechanism. • A plot of the log of the rate constant against the p A plot of the log of the rate constant against the p Ka of the anion (Fig. 81) exhibits a deviation from the linear Brønsted relationship observed for p catalysis by various phenoxide anions when the carbohydrate species are included on the plot. These deviations may be due to the very high These deviations may be due to the very high basicity of the polyalcohol anions, which leads to very large solvation energy requirements. 11/20/2012
27
Figure 81. Brønsted plots of hydrolysis rate of p‐nitrophenyl esters susceptible to nucleophilic catalysis at 25°C. (Reproduced from Ref. 387 with permission.)
11/20/2012
28
Buffer, General Acid‐Base, and Nucleophilic‐Electrophilic l hl l h l Catalysis l • Other Other examples of general base catalysis and examples of general base catalysis and nucleophilic catalysis that have been reported include the hydrolysis of cefotiam and include the hydrolysis of cefotiam and cefsulodin catalyzed by amikacin and kanamycin and the hydrolysis of moxalactam kanamycin and the hydrolysis of moxalactam catalyzed by various amines.
11/20/2012
29
