Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Belajar Sintesis Kimia dari Alam Sekitar

Coba perhatikan alam sekitar kita. Tuhan memang sungguh Maha Pemurah dan Maha Penyayang. Semua yang kita butuhkan semua sudah tersedia di alam. Alam adalah ayat kauniyah Tuhan tempat kita bisa belajar, berpikir, dan menggali segala macam ilmu. Nenek moyang kita zaman dulu sudah begitu terampilnya meracik obat-obatan dan makanan dari alam, baik melalui proses coba-coba (trial and error) maupun dari ilmu turun-temurun sebelumnya, seperti halnya penemuan penisilin, kafein, maupun penemuan logam-logam mulia.

ed01-kimia-1

Lantas apakah manusia cukup berpangku tangan begitu saja untuk menunggu semua keajaiban dari Tuhan dan hanya mengambil dan mengambil? Berapa ledakan populasi dunia setiap tahunnya? Berapa kapasitas alam bisa menyuplai semua kebutuhan manusia? Apakah manusia stagnan dan puas dengan kondisinya? Tentu saja tidak! Kehidupan senantiasa berjalan dinamis, muncullah ide-ide inovasi manusia sebagai satu-satunya makhluk Tuhan yang diberi anugerah insting kecerdasan. Revolusi dalam bidang ilmu pengetahuan teknologi dan informasi sangat memegang peranan penting.

“Chemistry is the creative Force!”

Seiring dengan berjalannya waktu manusia menjadi kreatif untuk membuat sesuatu yang bersifat artifisial. Berbagai bahan alam yang diekstrak/diisolasi, baik dari dunia tumbuh-tumbuhan dan binatang, mikroorganisme, sumber daya kelautan, yang biasanya mengandung senyawa kimia baru dipelajari melalui proses screening, mulai dari penentuan strukturnya, aktivitas biologis, sampai aspek farmakologinya. Proses inilah yang mendorong penemuan maupun desain obat baru. Selain itu, bukan hanya senyawa bahan alam, inovasi dalam berbagai material pun tak kalah majunya. Penggunaan plastik dalam sehari-sehari sebagai contoh yang paling sederhana, mulai dari kantong plastik, botol, perabot rumah tangga sampai bahan mobil maupun pesawat terbang semua juga menggunakan inovasi material.

Negara-negara maju yang notabene tidak begitu kaya akan hasil alam sangat giat melakukan sintesis smart compounds atau molekul “cerdas” dengan melihat berbagai contoh dari alam. Mulai dari pembuatan senyawa untuk terapi kanker, katalis, energi terbarukan, seperti sel surya maupun inovasi fuel cell (sel bahan bakar; dengan hidrogen sebagai bahan bakarnya), molekul untuk magnet dan sensor semua dipelajari dan bisa diproduksi. Di sinilah kimia menjadi sangat penting. Semua unsur di alam ini dengan berbagai modifikasinya bisa dipelajari sifat dan kegunaannya untuk kehidupan manusia.

Sebagai contoh sederhana, coba kita amati struktur klorofil yang ada pada tumbuh-tumbuhan. Klorofil berfungsi untuk menangkap dan menransfer sinar matahari, kemudian mengonversi {\rm CO}_2 dan air menjadi karbohidrat yang sangat berguna, disertai dengan oksigen.

6{\rm CO}_2 + 6{\rm H}_2{\rm O} + {\rm Energi} \rightarrow {\rm C}_6{\rm H}_{12}{\rm O}_6 + 6{\rm O}_2

Klorofil yang sebenarnya terdiri dari berbagai macam jenis itu, ada klorofil a, b, c, d, dan ada juga bakterioklorofil a-g, secara umum terdiri dari gugus dasar porphirin (N4-yang berselang-seling aromatik) berkoordinasi dengan logam Mg. Hanya rantai alifatik yang mengikuti saja yang membuatnya berbeda. Di sini kita bisa belajar dari alam, bahwa untuk menciptakan suatu sistem yang bisa menransfer energi diperlukan ikatan selang-seling yang akan digunakan untuk transfer elektron yang berperan sebagai pembawa energi. Dari sinilah para ilmuwan yang menekuni organic solar cell, polimer konduktif (polimer yang bisa menghantarkan listrik), hingga luminescence, memulai aplikasi ide tersebut.

Sketsa struktur klorofil.

Sketsa struktur klorofil.

And… it is absolutely true that “Synthesis is the most creative thing we do in chemistry”

Bagaimana tidak? Segala yang kita pelajari di kimia pada intinya akan mengerucut pada sintesis. Kita belajar tentang pH, buffer, elektrokimia, stoikiometri, spektroskopi, dan metode-metode analisis lainnya, semua pada dasarnya menjadi elemen-elemen penyusun dalam suksesnya suatu sintesis. Reaksi–reaksi dasar dalam kimia seperti oksidasi, reduksi, Grignard, Sandmayer, dan bahkan reaksi kopling Suzuki merupakan bagian-bagian pengetahuan fundamental dalam kimia sintesis. Lihat pemenang hadiah Nobel bidang kimia tahun 2010, yaitu Richard F. Heck, Eichi Negishi dan Akira Suzuki, penemuan mereka terkait dengan reaksi cross coupling yang dikatalisis oleh palladium (Pd) dalam kimia organik. Temuan ini sangat fundamental dalam reaksi kimia untuk menciptakan ikatan karbon-karbon dalam sintesis organik.

Satu sisi yang khas dalam sintesis adalah seni sintesis itu sendiri karena pada dasarnya tidak hanya ada satu formulasi saja untuk sintesis suatu target molekul, tetapi banyak jalan yang bisa ditempuh. Istilah banyak jalan menuju Roma memang sangat cocok dengan falsafah sintesis. Berikut ini ada contoh sederhana sinesis vitamin C (asam L-ascorbat) yang merupakan hasil konversi satu langkah dari D-glukosa yang melibatkan proses oksidasi menggunakan asam hipoklorit (HOCl) dan menggunakan katalis cobalt oxide (Murphy dkk., US Patent No. 005998634A). Penemuan ini dikuatkan oleh Shenqing (2010) dengan langkah reaksi yang sama, namun menggunakan HCl dan Na2CO3 dalam metanol dengan HOCl digenerasi secara insitu.

Metode pendekatan yang handal untuk merancang suatu sintesis dikenal dengan “retrosintesis”, yaitu kita mulai dari molekul target kemudian kita coba untuk memotong menjadi bagian-bagian kecil yang mudah dikenali sebagai material awal yang tersedia, baik secara komersial maupun yang tersedia di alam dalam jumlah melimpah. Setiap langkah mundur tersebut dikenali sebagai proses transformasi yang kemudian dibalik nantinya menjadi langkah sintesis yang sesungguhnya. Ada dua pendekatan dalam retrosintesis ini, yaitu konvergen dan linear. Dalam pendekatan konvergen dimungkinkan bisa ada lebih dari satu alternatif starting material, sementara dalam pendekatan linear hanya ada satu starting material. Perhatikan skema berikut ini untuk lebih jelasnya.

ed01-kimia-4

Metode sintesis di atas sangat berguna untuk sintesis senyawa-senyawa yang lebih kompleks terutama senyawa baru yang hasil screening bahan alam, misalnya curacin A diperoleh dari cyanobakteri laut yang menunjukkan aktivitas antitumor. Sintesis senyawa kompleks membutuhkan perencanaan yang seksama dan ilmu pengetahuan yang dalam tentang berbagai macam variasi reaksi. Hal ini merupakan tantangan bersama para ilmuwan untuk terus mengembangkan kapasitas intelektualnya. Hal yang perlu diingat bahwa tidak semua bahan alam bisa disintesis secara total. Untuk senyawa yang sangat-sangat kompleks, mereka akan terlalu lama dan terlalu mahal untuk disintesis dalam skala industri.

Tuhan telah banyak sekali memberi pelajaran melalui alam ciptaannya bagi manusia. Sejauh mana manusia berpikir dan bersyukur atas semua? Semakin dalam seseorang mempelajari ilmu, tentunya menjadikan dia semakin dekat dengan Pencipta-Nya.

Bahan bacaan:

Penulis:
Witri Wahyu Lestari, dosen kimia di UNS Solo, doktor bidang kimia anorganik dari Leipzig University, Jerman.
Kontak penulis: uwitwl(at)yahoo(dot)com.