Bab 13 Pengenalan Polimer Organik. Departemen Kimia FMIPA IPB. Ikhtisar. Definisi dan Klasifikasi. Proses Polimerisasi. Serat, Plastik, dan Elastomer

Bab 13 Pengenalan Polimer Organik

Departemen Kimia FMIPA IPB

http://chem.fmipa.ipb.ac.id

Ikhtisar 1

Definisi dan Klasifikasi

2

Proses Polimerisasi

3

Serat, Plastik, dan Elastomer

4

Protein

5

Asam Nukleat

Sumber: Chang Bab 22 Dept. Kimia FMIPA IPB

1


Definisi & Klasifikasi Bahasa Latin: poli = banyak & meros = bagian Polimer: molekul dengan massa molar tinggi, terdiri atas banyak unit berulang yang bergabung melalui ikatan kovalen. 1. Asalnya: alami (protein, asam nukleat, karet alam) dan sintetik 2. Gugus fungsi monomernya: poliamida, poliester, polisulfida, dll. 3. Struktur molekulnya: linear, bercabang, bertaut-silang amorf, kristalin homopolimer, heteropolimer/kopolimer 4. Mekanisme sintesisnya: adisi dan kondensasi 5. Sifatnya terhadap kalor: termoplastik dan termoset Dept. Kimia FMIPA IPB


Definisi & Klasifikasi Struktur polimer:

Rantai-rantai karet alam normal (amorf) tidak berjajar secara teratur seperti setelah ditarik/diregangkan (kristalin). Dept. Kimia FMIPA IPB

2


Definisi & Klasifikasi Homopolimer: polimer yang dibuat dari 1 jenis monomer.

AA AAAAA

AAAAA AA

linear

AAAAA AAAAA

bercabang

taut-silang

Kopolimer/heteropolimer: campuran > 1 jenis monomer. ABABAB

AABABBA

AAAAABBBB

AAAAAAA BBB

berseling

acak

blok

BBB

cangkok (graft) Dept. Kimia FMIPA IPB


Definisi & Klasifikasi Sifat polimer terhadap kalor:

(1) Termoplastik: meleleh atau melunak jika dipanaskan dan mengeras kembali jika didinginkan. Contoh:

n CH2

CH

benzoil peroksida

CH2

CH

stirena (n = 10–30000) → BM = 1–3 juta

n polistirena Dept. Kimia FMIPA IPB

3


Definisi & Klasifikasi (2) Termoset: jika dipanaskan, dihasilkan material tak terleburkan yang keras dan tidak dapat dilelehkan lagi. Contoh: OH

OH

OH CH2

CH2 OH CH2

O

H+, kalor

CH2

CH2

−H2O

HO

OH

fenol formaldehida CH2

CH2

segmen dari Bakelit

OH

Dept. Kimia FMIPA IPB


Definisi & Klasifikasi Poliamida:

O

O

n H2N(CH2)6NH2 + n HOC(CH2)4COH 1,6-diaminoheksana (heksametilenadiamina)

200−300 oC

asam heksanadioat (asam adipat)

O

O

HN(CH2)6NHC(CH2)4C

n

+ (2n−1) H2O

Nilon-6,6 (6 atom C pada diamina, 6 atom C pada dwiasam)


4


Definisi & Klasifikasi Poliester:

O

O C OH + n HOCH2CH2OH

n HO C asam tereftalat

etilena glikol

O

O

O C

+ (2n−1) H2O

C OCH2CH2 n Dakron

Cincin benzena yang datar membuat Dakron lebih kaku daripada Nilon dan digunakan sebagai bahan untuk jas yang tahan-kusut. Dept. Kimia FMIPA IPB


Proses Polimerisasi (1) Polimerisasi adisi: Tidak ada atom yang hilang: polimer mengandung semua atom yang ada pada monomer. Lazim melibatkan rantai radikal bebas (inisiasi, propagasi, terminasi) dari monomer yang berikatan rangkap. Produknya merupakan homopolimer yang biasanya tergolong sebagai plastik.

H H Contoh: n H C C etuna (asetilena)

H

C C n poliasetilena (plastik konduktor listrik) Dept. Kimia FMIPA IPB

5


Proses Polimerisasi Polietilena: selang plastik, botol, insulasi listrik

H2C CH2

n H2C CH2 etena

n

polietilena (PE)

Polimer vinil:

n H2C CH

inisiator radikal

H2C CH

L L = –CH3 → polipropilena (PP): karpet, krat minuman botol, alat lab L = –Cl → poli(vinil klorida) (PVC): pipa air, atap, kartu

L

n

L = –C6H5 → polistirena (PS): insulasi termal (ember es, kotak pendingin) L = –CN → poliakrilonitril (PAN, Orlon, Acrilan): karpet,

kredit, piringan hitam

baju hangat, pakaian bayi, kaus kaki Dept. Kimia FMIPA IPB


Proses Polimerisasi Latihan: 1. Gambarkan monomer dari Teflon:

CF2 CF2 n

2. Tuliskan persamaan reaksi polimerisasi yang menghasilkan poli(metil metakrilat) (PMMA). Metil metakrilat merupakan ester dengan nama IUPAC metil 2-metilpropenoat.


6


Proses Polimerisasi (2) Polimerisasi kondensasi: Biasanya terjadi antara 2 monomer yang masing-masing memiliki sekurang-kurangnya 2 gugus fungsi. Satu molekul kecil (umumnya H2O) terlepas setiap pelekatan 1 monomer pada polimer yang sedang tumbuh. Produknya merupakan heteropolimer yang banyak di antaranya merupakan serat. Contoh: Nilon 6,6, Dakron Dept. Kimia FMIPA IPB


Proses Polimerisasi (3) Kopolimerisasi: Proses pencampuran > 1 jenis monomer, bisa merupakan polimer adisi ataupun kondensasi. Contoh: Kopolimerisasi stirena dan butadiena ⇒ kopolimer blok stirena-butadiena-stirena (SBS) atau kopolimer cangkok karet stirena-butadiena (SBR)

n CH2

CHC6H5 + 3n CH2 stirena

CH CH

CH2

1,3-butadiena

inisiator radikal bebas

C6H5

SBR

n Dept. Kimia FMIPA IPB

7


Proses Polimerisasi (4) Modifikasi polimer: Biasanya dilakukan pada polimer yang sudah terbentuk, untuk mendapatkan sifat polimer yang sesuai dengan kebutuhan: (a) menambah atau mengubah gugus fungsi. Contoh: PVC → polivinil diklorida (PVDC) (tahan suhu tinggi) (b) pertautan-silang (crosslinking) untuk membentuk jejaring. Syarat: monomer memiliki > 3 tapak reaktif. Contoh: Bakelit, vulkanisasi karet alam.



Proses Polimerisasi Latihan: 1. Kodel ialah poliester dengan struktur sebagai berikut:

O

O

C

C O CH2

CH2

O n

Dari dua monomer apa material itu dibuat? 2. Nilon-6,6 dihasilkan dari reaksi 1,6-heksanadiamina dengan asam adipat. Polimer nilon lainnya diperoleh jika sebasil klorida Cl(O)C(CH2)8C(O)Cl digunakan sebagai pengganti asam adipat. Bagaimana struktur nilon tersebut? Dept. Kimia FMIPA IPB

8


Proses Polimerisasi 3. Kevlar (bahan rompi antipeluru) ialah poliamida aromatik (aramid) dengan struktur sebagai berikut:

NH

O

O

NH C

C n

Dari dua monomer apa material itu dibuat? 4. Dapatkah polimer terbentuk dari reaksi asam tereftalat dengan etil alkohol (bukan etilena glikol)? Jelaskan. 5. 1,1-Dikloroetena dan vinil klorida membentuk kopolimer berseling yang disebut Saran, yang digunakan dalam pengemasan makanan. Tuliskan reaksi kopolimerisasinya. Dept. Kimia FMIPA IPB


Serat, Plastik, dan Elastomer SERAT (memanjang <10% tanpa putus) Ketahanan terhadap uluran

(1) Serat:

PLASTIK (20–100%) ELASTOMER (100–1000%)

(a) Bersimetri molekular tinggi dan berenergi kohesif kuat antarrantai akibat adanya gugus polar. (b) Derajat kristalinitas tinggi yang dicirikan oleh adanya ikatan hidrogen antarmolekul dan tidak adanya percabangan. Contoh: kapas, wol, sutera (alami); Nilon 6,6, Dakron, Orlon, rayon viskosa (selulosa termodifikasi) (sintetik). Dept. Kimia FMIPA IPB

9


Serat, Plastik, dan Elastomer (2) Plastik: Tidak dapat dipintal seperti serat, tetapi dapat dicetak atau diekstrusi menjadi bentuk yang diinginkan atau dibentang menjadi film pengemas. Sintetik: Bakelit (resin fenol-formaldehida), PE, PP, PVC, PS, PMMA, poli(asam laktat) (PLA), poli(ε-kaprolakton) (PCL); Alami: Poli(hidroksialkanoat) (PHA) seperti poli(3-hidroksibutirat) (PHB) dan poli(3-hidroksivalerat (PHV) (dihasilkan bakteri tertentu). Dept. Kimia FMIPA IPB


Serat, Plastik, dan Elastomer (3) Elastomer: Bersifat amorf pada kondisi normal (strukturnya tidak teratur dengan gaya tarik antarmolekul yang lemah), tetapi secara reversibel menjadi teratur bila ditarik/diregangkan. Elastomer alami yang paling penting ialah karet alam, yaitu polimer semua cis dari isoprena (metilbutadiena). CH3 n CH2

C CH

CH2

isoprena (metilbutadiena)

CH3 H C C CH2 CH2 poli-cis-isoprena (karet alam)

dan/atau

n

CH2 H C C CH3 CH2

n

poli-trans-isoprena (getah perca) Dept. Kimia FMIPA IPB

10


Serat, Plastik, dan Elastomer Karet alam lembek dan tidak sepenuhnya kembali ke bentuk semula jika diulur ⇒ diperkeras dengan vulkanisasi (Charles Goodyear, 1839). Karet direaksikan dengan zink oksida sehingga terbentuk tautsilang sulfur (jembatan disulfida) antarrantai hidrokarbon.

sebelum vulkanisasi

setelah vulkanisasi

setelah diregangkan Dept. Kimia FMIPA IPB


Serat, Plastik, dan Elastomer Substitusi sintetik untuk karet alam: Karet SBR (tahun 1950 volume produksinya telah melampaui karet alam). Kopolimer butadiena-akrilonitril (karet NBR). Poli-cis-isoprena (diproduksi dengan katalis Ziegler-Natta; sifat-sifatnya nyaris sama dengan karet alam). Poli-cis-butadiena (produksinya sekarang ini menempati urutan kedua setelah karet SBR).


11


Protein Biopolimer polipeptida, tersusun dari sejumlah asam amino yang dihubungkan dengan ikatan peptida.

Protein struktural pada sel, jaringan, atau organ Enzim (biokatalis) Pembawa zat melalui membran sel: protein transpor Zat pengatur: hormon, antibodi

O α R CH C OH NH

COOH H

2 asam amino (R = rantai samping)

COOH

NH2

H 2N

R

H R

dekstro (D)

levo (L) (asam amino alami)

–COOH = asam –NH2 = basa

AMFOTER Dept. Kimia FMIPA IPB

http://chem.fmipa.ipb.ac.id Di alam sudah ditemukan 150 asam amino. Akan tetapi, hanya 20 asam amino yang membentuk protein, selebihnya berada dalam bentuk bebas di alam.

Lambang

Struktur Gugus Samping

Gly

–H

Alanina

Ala

–CH3

Valina

Val

–CH(CH3)2

Leusina*

Leu

–CH2CH(CH3)2

Ile

–CH(CH3)CH2CH3

“Gugus Samping” Hidrogen Glisina Gugus Samping Alkil

Isoleusina* Prolina

Pro (struktur seluruh asam amino)

COOH NH Dept. Kimia FMIPA IPB

12

Lambang

Struktur Gugus Samping http://chem.fmipa.ipb.ac.id

Gugus Samping Aromatik Fenilalanina*

Phe

Tirosina

Tyr

Triptofan*

Trp

CH2 CH2

OH

CH2 N H

Gugus Samping Mengandung Alkohol Serina

Ser

–CH2OH

Treonina*

Thr

–CH(OH)CH3

Lisina*

Lys

–(CH2)4NH2

Arginina*

Arg

–(CH2)3NHC(NH2)=NH

Histidina*

Hys

Gugus Samping Basa

CH2 HN

N


Lambang

http://chem.fmipa.ipb.ac.id Struktur Gugus Samping

Gugus Samping Asam Asam aspartat

Asp

–CH2COOH

Asam glutamat

Glu

–(CH2)2COOH

Gugus Samping Mengandung Amida

O

Asparagina

Asn

CH2 C NH2 O

Glutamina

Gln

CH2 CH2 C NH2

Gugus Samping Mengandung Sulfur Sisteina

Cys

–CH2SH

Metionina*

Met

–CH2CH2SCH3

* asam amino esensial (tidak dapat disintesis oleh manusia dewasa)

Mahasiswa TPB wajib hafal rumus umum asam amino, tetapi tidak wajib hafal kedua puluh rantai samping di atas! Dept. Kimia FMIPA IPB

13


Protein Penggolongan protein: Struktur

: 1o, 2o, 3o, 4o

Sumber Lokasi dalam sel

: hewani, nabati, mikrob : inti, sitoplasma, membran

Bentuk : serat, globular BM/ukuran : kecil, menengah, besar Polaritas (kelarutan) : netral, bermuatan +/– Asosiasi dgn senyawa lain : nukleo-, lipo-, glikoprotein Fungsi hayati : Hormon, enzim, antibodi, struktur



Protein Struktur primer protein: Struktur 2 dimensi yang menggambarkan urutan residu asam amino penyusun protein dan ikatan tulang-punggung peptida. H O H2N

C C OH R1 aa1

H2O

H O

H2N H N C C OH H R2 (dehidrasi aa2 H2O antarmolekul)

H O

C C NH C C OH R1 R2 dipeptida ikatan peptida

H O H2N C C OH R3 aa3

H O

H O H2N

H O

H O

C C NH C C NH C C OH R1

R3 R2 tripeptida


14


Protein H2O H O H2N C C OH Rn aan H O

H O

H O

H O

H2N C C NH C C NH C C R1

NH C C OH

R3

R2

Rn polipeptida

Ujung dengan gugus –NH2, disebut ujung-N, di sebelah kiri. Ujung dengan gugus –CO2H, disebut ujung-C, di sebelah kanan. Peptida dinamai dari ujung-N ke ujung-C, dengan semua asam amino selain ujung-C diganti dari akhiran -ina menjadi -il. Dept. Kimia FMIPA IPB


Protein Contoh: Tripeptida glisilalanilserina (Gly-Ala-Ser)

H2N

O

O

O

CH C NH

CH C NH

CH C OH

H

CH3

CH2OH

n residu asam amino ⇒ (n–1) ikatan peptida Latihan: Gambarkan struktur tetrapeptida sisteiltreonilleusilmetionina jika rantai samping Cys = −CH2SH, Thr = −CH(OH)CH3, Leu = −CH2CH(CH3)2, dan Met = −CH2CH2SCH3. Lingkari semua ikatan peptida dalam struktur tersebut. Dept. Kimia FMIPA IPB

15


Protein Struktur sekunder protein: Hasil pelipatan polipeptida akibat ikatan hidrogen O-karboksil dengan N-amino dari ikatan peptida:

C O H N ☯ Intrarantai ⇒ heliks-α α (wol, rambut) (a) terjadi jika R berukuran besar (b) gugus R menonjol keluar heliks (c) merupakan kumparan berputar-kanan: ikatan hidrogen terjadi setiap selang 3 asam amino. Dept. Kimia FMIPA IPB


Protein ☯ Antarrantai ⇒ lembaran terlipat-β β (a) terjadi jika monomer utamanya Gly dan Ala (R kecil) (b) gugus nonhidrogen terletak pada 1 sisi lembaran Sutera: - tidak punya elastisitas & daya mulur, karena rantai-rantai polipeptida sudah terbentang - sangat kuat, karena banyaknya ikatan hidrogen antarmolekul - terasa halus, karena gaya lemah antarlembaran.


16


Protein

Antiparalel

Paralel



Protein Struktur tersier protein: Struktur 3 dimensi hasil pelipatan polipeptida akibat interaksi antargugus R dari residu asam amino penyusun protein: (1) Jembatan garam: Terjadi antara residu asam amino-asam (Asp & Glu) dan -basa (Lys, Arg, Hys), yaitu antara gugus CO2− dan NH3+. (2) Ikatan hidrogen: Terjadi di antara residu-residu yang memiliki gugus fenolik (Tyr), hidroksil (Ser, Thr), karboksil (asam amino asam), amino dan gugus bernitrogen lainnya (asam amino basa), atau amida (Asn, Gln). Dept. Kimia FMIPA IPB

17


Protein (3) Jembatan disulfida: Terjadi di antara 2 residu Cys yang teroksidasi.

O

O

NH CH C

NH

NH

CH C

CH2SH

oksidasi

CH2 S

CH2SH

reduksi

CH2 S

CH C

ikatan disulfida

NH CH C O

O 2 residu sisteina

residu sistina

Contoh: Pengeritingan dan pelurusan rambut Dept. Kimia FMIPA IPB


Protein

(4) Interaksi hidrofobik: Terjadi karena residu-residu nonpolar (Ala, Val, Leu, Ile, Phe, Cys) secara termodinamika lebih suka mengelompok untuk menghindari interaksi dengan air.


18


Protein

(a) Jembatan garam (b) Ikatan hidrogen

(c) Gaya dispersi (d) Interaksi dipol-dipol Dept. Kimia FMIPA IPB


Protein

MIOGLOBIN (contoh struktur tersier)


19


Protein Struktur kuaterner protein: Struktur yang dihasilkan dari interaksi struktur tersier dengan senyawa lain, baik protein maupun nonprotein.

Contoh: Hemoglobin (gabungan 4 struktur tersier: 2α & 2β).



Protein

Struktur 3o

Struktur 1o

Struktur 4o

Struktur 2o Dept. Kimia FMIPA IPB

20


Asam Nukleat Biopolimer polinukleotida, tersusun dari sejumlah monomer nukleotida yang dihubungkan oleh ikatan fosfodiester. Nukleotida = nukleosida + gugus fosfat Nukleosida = basa nitrogen + gula basa nitrogen

purina: adenina (A), guanina (G) pirimidina: sitosina (C), urasil (U) RNA, timina (T) DNA D-ribosa RNA

gula D-2-deoksiribosa DNA Dept. Kimia FMIPA IPB


Asam Nukleat Contoh struktur (mono)nukleotida untuk RNA: C5 gula, tempat ikatan dengan gugus fosfat

NH2

fosfat

NH

U

O

5 O P O CH2 O C3 gula, tempat ikatan fosfodiester dengan nukleotida lain

H

1N

O

H

H

3 OH

H

1 H

O C1 gula, tempat ikatan dengan N9 purina atau N1 pirimidina

Penggabungan basa nitrogen dan gugus fosfat pada gula masing-masing melepaskan 1 molekul H2O. Dept. Kimia FMIPA IPB

21


Asam Nukleat NH2 ujung 5' (ujung P) U

O O P O CH2

NH2

H

H O ikatan fosfodiester (tulang-punggung asam nukleat)

O

N

O

H

O

Contoh struktur trinukleotida RNA

NH

N

H OH

O P O CH2

A N O

H

O H

O

Pembentukan fosfodiester melepas 1 molekul H2O. Seperti protein & karbohidrat, asam nukleat adalah polimer kondensasi.

N

N

H

NH2

H OH

C

O P O CH2 O

N

O

H

H

OH

H OH

H ujung 3' (ujung OH)

N O



Asam Nukleat Struktur DNA Watson-Crick: (1) Heliks rangkap (2) Antiparalel (3) Komplementer Aturan Chargaff: • Jumlah A = T (2) Jumlah C = G (3) Jumlah (A + G) = (C + T)

ujung 3’ ujung 5’


22


Asam Nukleat

timina adenina (2 ikatan hidrogen)

guanina sitosina (3 ikatan hidrogen) Dept. Kimia FMIPA IPB


Asam Nukleat Mengapa A berpasangan dengan T, G dengan C? Dalam heliks rangkap, jarak antara kerangka terlalu dekat untuk 2 purina dan terlalu jauh untuk 2 pirimidina untuk membentuk ikatan hidrogen yang efektif.


23


Asam Nukleat Sementara pasangan purina-pirimidina yang lain menghasilkan lebih sedikit ikatan hidrogen. Pasangan G dengan T, misalnya, hanya dapat membentuk 1 ikatan hidrogen.


Departemen Kimia FMIPA IPB

24

Bab 13 Pengenalan Polimer Organik. Departemen Kimia FMIPA IPB. Ikhtisar. Definisi dan Klasifikasi. Proses Polimerisasi. Serat, Plastik, dan Elastomer

Recommend Documents