[ Kimia Organik3#10] KARAKTERISASI SENYAWA ORGANIK BAHAN ALAM 2

Apa itu kimia bahan alam yaitu segala sesuatu yang dihasilkan oleh kehidupan, dan termasuk bahan biotik (misalnya kayu, sutra), bahan berbasis bio (misalnya bioplastik, tepung jagung), cairan tubuh (misalnya susu, eksudat tanaman), dan bahan alami lainnya. bahan yang pernah ditemukan dalam organisme hidup (misalnya tanah, batu bara). Definisi yang lebih ketat dari bahan alam adalah senyawa organik yang disintesis oleh organisme hidup. Ilmu kimia organik, pada kenyataannya, memiliki asal-usul dalam studi produk alami, dan telah memunculkan bidang kimia organik sintetis di  mana para ilmuwan membuat molekul organik di laboratorium, dan kimia organik semi-sintetis di mana para ilmuwan memodifikasi produk alami yang ada untuk meningkatkan atau mengubah kegiatan mereka.

A.    Metabolit sekunder

Metabolit sekunder, berbeda dengan metabolit primer dapat dibuang dan tidak mutlak diperlukan untuk bertahan hidup. Selain itu, metabolit sekunder biasanya memiliki distribusi spesies yang sempit. Sebagai contoh, nighthade yang mematikan, Atropa belladonna , menghasilkan senyawa halusinogen beracun, seperti skopolamin, tetapi spesies tanaman lain tidak memiliki kapasitas ini. Sampai saat ini ratusan ribu metabolit sekunder telah ditemukan.

Metabolit sekunder memiliki beragam struktur dan termasuk contoh-contoh seperti alkaloid, fenilpropanoid, poliketida, dan terpenoid.  Alkaloid adalah metabolit sekunder yang mengandung nitrogen sebagai komponen struktur organiknya dan dapat dibagi menjadi banyak subkelas senyawa. Nikotin , zat adiktif dalam tembakau diberikan sebagai contoh alkaloid. Phenylpropanoids adalah keluarga beragam senyawa organik yang disintesis dari fenilalanin asam amino dan tirosin. Asam kayu manis salah satu molekul rasa yang mudah menguap yang ditemukan dalam kayu manis adalah fenilpropanoid. Polyketides dirakit dari blok bangunan asetat dan malonat untuk membentuk struktur yang besar dan kompleks.  Alflatoxin B1 , yang ditunjukkan di bawah, adalah struktur polyketide yang diproduksi oleh jamur dari genus Aspergillus . Jenis jamur ini biasanya tumbuh dari tanaman pangan yang disimpan, seperti jagung dan kacang tanah dan mencemari mereka dengan aflatoksin. Aflatoksin merusak molekul DNA dan bertindak sebagai karsinogen , atau agen penyebab kanker. Tanaman pangan yang terkontaminasi aflatoksin telah dikaitkan dengan kasus kanker hati. Terpenoidadalah kelas besar produk alami lainnya yang dibangun dari unit monomer 5-karbon yang disebut isoprena. Karet alamadalah contoh yang baik dari struktur berbasis terpenoid. Ia dirangkai dari beberapa unit isoprene reapeating. Ketika kita menjelajahi struktur organik secara lebih rinci dalam beberapa bab berikutnya, kita akan terus mengevaluasi contoh-contoh dari berbagai kelas metabolit ini dan bagaimana mereka memengaruhi kehidupan kita.

1.      Alkaloid , salah satu dari kelas yang mengandung basa yang mengandung nitrogen organik . Alkaloid memiliki efek fisiologis yang beragam dan penting pada manusia dan hewan lainnya. Alkaloid terkenal termasuk morfin , strychnine , quinine , efedrin , dan nikotin .

Struktur kimia morfin. The benzylisoquinoline backbone ditampilkan dalam warna hijau.

Struktur yang sama dengan gambar perspektif tiga dimensi.

Morfin adalah alkaloid benzylisoquinolinedengan dua penutupan cincin tambahan. Memiliki:

·         Struktur pentasiklik kaku yang terdiri dari cincin benzena (A), dua cincin sikloheksana tidak jenuh sebagian (B dan C), cincin piperidin (D) dan cincin tetrahidrofuran (E). Cincin A, B dan C adalah sistem cincin fenantrena . Sistem cincin ini memiliki sedikit fleksibilitas konformasi.

·         Dua kelompok fungsional hidroksil: a C3- fenolik OH (p K _a 9,9) dan C6- allylic OH ,

·         Sebuah eter hubungan antara C4 dan C5,

·         Tidak jenuh antara C7 dan C8,

·         Fungsi amina tersier dasar pada posisi 17,

·         5 pusat kiralitas (C5, C6, C9, C13 dan C14) dengan morfin menunjukkan tingkat stereoselektivitas tinggi dari tindakan analgesik. 

Sebagian besar morfin yang diproduksi digunakan untuk membuat kodein dengan metilasi. Ini juga merupakan prekursor untuk banyak obat termasuk heroin (3,6-diacetylmorphine), hydromorphone(dihydromorphinone), dan oxymorphone (14-hydroxydihydromorphinone); banyak turunan morfin juga dapat diproduksi menggunakan thaine atau kodein sebagai bahan awal. 

2.      Phenylpropanoid 

Struktur Phenylpropanoids dan Aromatic Polyketides

Mereka umumnya larut dalam banyak pelarut organik. Mereka bisa agak sulit untuk larut dalam pelarut non-polar seperti heksana tetapi larut dengan baik dalam pelarut polar tinggi seperti kloroform, metanol dan DMSO. Senyawa dengan gugus karboksil atau fenolik hidroksi larut dalam larutan alkali berair. Karena mudah teroksidasi dalam keadaan cair, kami sarankan Anda untuk menggunakannya dalam waktu singkat setelah persiapan.

3.      Polyketides

Polyketides adalah kelompok metabolit sekunder, yang menunjukkan keanekaragaman yang luar biasa baik dari segi struktur maupun fungsinya . Produk alami Polyketide diketahui memiliki banyak aktivitas penting secara farmakologis, termasuk antimikroba, antijamur, antiparasit, antitumor dan sifat agrokimia. Metabolit ini tersebar di mana-mana dan telah dilaporkan dari berbagai organisme seperti bakteri, jamur, tanaman, serangga, dinoflagellata, moluska, dan spons. Spektrum luas dari aktvitas polibidida menjadikannya molekul yang paling dicari secara ekonomi, klinis dan industri. Banyak produk polyketide adalah senyawa yang terkenal seperti Erythromycin A, antibiotik makrolida spektrum luas, agen antihelmintik avermectin atau imunosupresan FK506 dan rapamycin. Oleandomycin, rifamycin, lovastatin, oxytetracycline dan reserveratrol adalah beberapa dari ribuan polyketides yang ditemukan sejauh ini.
Berikut adalah beberapa contoh dari berbagai struktur kimia yang dapat diambil oleh polketida:

 

Sintesis dan Perakitan poliketida

Polyketide disintesis oleh reaksi berurutan yang dikatalisis oleh kumpulan aktivitas enzim yang disebut polyketide synthases (PKSs). Ini adalah kompleks protein multienzim besar yang mengandung kelompok situs aktif terkoordinasi. Biosintesis terjadi secara bertahap dari blok bangunan sederhana 2-, 3-, 4-karbon seperti asetil-KoA, propionil CoA, butyryl-CoA dan turunan teraktivasinya, malonil, metilmalonil- dan etilmalonil-KoA.

Langkah pembuatan rantai kunci dari polyyhide biosyhnthesis adalah kondensasi dekarboksilasi yang dianalogikan dengan langkah perpanjangan rantai biosintesis asam lemak klasik yang terjadi dengan cara yang dipahami dengan baik sebagai berikut:

Tidak seperti biosintesis asam lemak, di mana setiap langkah perpanjangan rantai berurutan diikuti oleh urutan tetap dari ketoreduksi, dehidrasi dan reduksi enoyl seperti yang ditunjukkan di atas, intermediet elongasi rantai individu dari biosintesis polibidida menjalani semua, beberapa, atau tidak ada kelompok fungsional ini modifikasi, menghasilkan tingkat kompleksitas kimia yang mencolok dalam produk. Tingkat kerumitan tambahan muncul dari penggunaan unit starter yang berbeda dan unit perpanjangan rantai serta generasi isomer stereo baru.

4.      Terpenoid

Terpenoid merupakan senyawa dimana struktur molekulnya tersusun atas karbon dan hidrogen, maupun oksigen yang sifatnya aromatis, sebagian senyawa terpenoid terdiri atas atom karbon dengan kelipatan lima. Klasifikasi terpenoid ditentukan dari unit isopren atau unit C-5 atau penyusun senyawa tersebut.Senyawa terpenoid terdiri atas beberapa kelompok. 

Isoprena merupakan metabolit kunci dalam biosintesis terpenoid seperti halnya asam shikimat dalam biosintesis metabolit sekunder aromatis. Senyawa terpenoid dikaitkan terhadap bentuk strukturnya. Kerangka karbon terpenoid diklasifikasikan berdasarkan jumlah perulangan isoprene (C5) penyusunnya. Hemiterpena tersusun oleh satu unit isoprena (C5), monoterpena disusun oleh 2 unit isoprena (C10), seskuiterpena disusun oleh 3 unit isoprena (C15), diterpena disusun oleh 4 unit isoprena (C20), sesterpena disusun oleh 5 isoprena (C25),  triterpena disusun oleh 6 unit isoprena (C30),  tetraterpena disusun oleh 8 unit isoprena (C40). Untuk struktur yang lebih besar dengan jumlah unit isoprena lebih dari 8 biasa disebut dengan politerpena.

Gambar Contoh-contoh golongan senyawa terpenoid, monoterpen

Senyawa-senyawa monoterpenoid antara lain:

a. Champor

Champor atau kapur barus adalah keton yang berasal dari Cinnamomum champora(Linne) Ness et ebermaier (keluarga Lauraceae) atau dari sintetiknya.  Camphora berasal dari bahasa Arab Kafur yang artinya kapur.  Tanaman ini pohonnya besar dan rindang, asli dari Asia Timur tetapi biasanya ada dibagian Mediterania, Sri Lanka,Mesir, Afrika selatan, Brazil, Jamaika, Florida, dan California.

Champor alam bentuknya kristal, yang dipotong dari kayu batang dan akar-akar yang dilarukan dalam minyak menguap.  Kayu diiris, disuling dengan uap panas, 1 lb champhor mentah dihasilkan dari 20-40 lb kepingan-kepingan.  Camphor mentah lalu dibebaskan dari minyak dengan mesin pemisah dengan diputar dan ditekan dalam cetakan.

Camphor sintetik dihasilkan dari pinen, yang mengandung minyak terpentin.  Mula-mula ujung pohon cemara yang telah ditebang diambil terpentinnya dengan menggunakan sejumlah metode yang kompleks uantuk menghasilkan champhor sintetik, dengan cara:

1. Mengubah pinen menjadi ester bornil.

2. Hidrolisis isoborneol

3. Oksidasi untuk memperoleh champhornya.

Rotasi dari champor alami antara +41o dan +43º.  Champor sintetik optis aktifnya berbentuk rasemik.  Campor digunakan untuk antipruritik topikal dengan konsentrasi 0,1-2%.  Pada konsentrasi yang tinggi di atas 11% biasanya dapat menyebabkan efek yang berlawanan.

b. Sineol

Sineol atau eualyptol ditemukan pada eulayptus dan beberpa minyak menguap lainnya.  Sineol juga disebut cajuput oil karena dia berasal dari kayu putih.  Pohon ini berasal dari Tasmania yang banyak ditanam di Eropa dan California. Minyaknya mengandung kira-kira 70-80% Sineol.  Dengan ciri-ciri cairan tidak berwarna, bau wangi seperti champhora yang tajam, dingin, rasa pedas.  Sineol dapat diperoleh:

1. Dari sebagian kecil minyak eucalyptus yang kemudian hasil sulingannya didinginkan, atau dengan menghilangkan minyak eucalyptus dengan asam fosfat kemudian terjadi dekomposisi sineol asam fosfat dengan air.

2. Dari terpin hidrat yang dikeringkan, direaksikan dengan asam-asam.

c. Mentol

Mentol atau Menthan-3-ol merupakan alkohol yang diperoleh dari bermacam-macam minyak atau sediaan sintetiknya.  Levorotari mentol [(-)-mentol] atau bentuk rasemiknya [(±)-menthol], dapat diproduksi alami maupun sintetiknya.  Mentol rasemik  buatan dihasilkan dengan hidrogenasi dengan  Thymol, mentol bisa juga dibuat dari pinen.  Mentol yang terjadi tidak berwarna, kristal segi enam seperti jarum, massa melebur atau serbuk kristal.

d. Terpin hidrat

Terpin hidrat atau terpinol dibentuk dari reaksi asam nitrat pada pengubahan minyak terpentin menjadi alkohol. Nama lainnya cis-p-menthan-1,8-diolhydrat. Terpin hidrat merupakan pemacu pada membran selaput lendir, sampai saat ini terpin hidrat digunakna sebagai obat penekan dahak dalam bentuk sediaannya Elixir terpin Hidrat.

e. Thymol

Thymol merupakan sebuah fenol yang diperoleh dari Thymu (Thymus vulgarisLinne) dari minyak Horsemint (Monarda puncata Linne) dari minyak ajowan (Carum copticum Bentham et hooker) untuk sediaan sintetiknhya dari m-kersol atau p-cymen.  Cara menghasilkan kristal thymol:

1. Dengan menekan suhu pada pembekuan thymol menjadi kristal.

2. Dengan cara larutan NaOH, larutan encer dari Thymol Natrium dipisahkan dan diuraikan oleh asam sehingga thymol lepas, dan kemudian dimurnikan.

Kristal thymol yang terbentuk sebagian besar tidak berwarna tau serbuk kristal putih, yang mempunyai bau wangi seperti Thymi dan rasa yang tajam.  Thymol yang kecil mudah menyublim.  Thymol merupakan salah satu zat antifungi dan antibakteri.  Thymol termasuk antiseptik topikal dan analgesik dalam kensentrasi antara 0,1-1 % tiap personal-care products, dan untuk antiseptik mulut.

2. Sesquiterpenoid

Sesquiterpenoid merupakan senyawa terpenoid dengan kelas yang paling besar.  Sesquiterpenoid lakton, secara kimiawi agak berbeda dengan golongan sesquiterpen yang lainnya, contoh: alfa, beta-carbonil seperti epoksid.  Adanya gugus fungsional ini memberikan kepekaan pada reseptor tertentu menjadi lebih reaktif, pada nukleofil pada tubuh seperti thiol dan amino kelompok enzim.  Aktivitas biologis yang dilaporkan adalah antimikrobal dan antitumor. Sesquiterpen lakton dapat digolongkan menurut tulang rangka karbosilik mereka.

Contoh Senyawa Golongan Terpenoid, Sesquiterpen :

Artemisinin

Artemisin atau qinghaosu adalah suatu sesquiterpenoid  lakton yang diisolasi dari daun dan bunga Artemisia annua Linne (Fam Asteraceae).  Artemisin dan derivatnya kuat dan bereaksi secara cepat sebagai shcizontosid darah dalam pengobatan malaria.  Selain itu juga aktif melawan Plasmodium vivax dan strain Plsmodium vivax yang resisten terhadap klorokuin. Artemisinin tidak larut dalam air, sehingga bisa dibuat dalam derivatnya  dan dalam bentuk garamnya sehingga bisa larut di dalam air.

3. Diterpenoid

Diterpenoid meliputi golongan senyawa yang secara kimia beraneka ragam, semuanya mempunyai kerangka karbon C20 yang berasal dari satuan isopren.

Contoh Senyawa Golongan Terpenoid, Diterpenoid :

Forskolin

Forskolin atau colforsin adalah isolat diterpenoid dari akar herba Coleus forskohli (Poir) Brice (Fam. Lamiaceae). Forskolin mempunyai terapetik yang potensial dalam penyakit seperti kongestiv kardiomiopati dan asma bronchial yang penggunaannya sebagai agonis β-adrenergik.

4. Triterpenoid

Triterpenoid dibiosintesis dari 6 unit isopren, dan tersusun atas C30 asiklik yang merupakan prekursor dari squalen.  Perbedaan pembentukan cincin (siklisasi)  akan memberikan perbedaan tipe dari terpenoid.  Lebih dari 4000 terpenoid alami telah diisolasi, dan lebih dari 40 kerangka dasar yang teridentifikasi.  Triterpenoid terbagi atas 2 kelompok besar yaitu tetrasiklik dan pentasiklik.

Contoh Senyawa Quassinoid (triterpenoid)

5. Tetraterpenoid dan Karatenoid

Karotenoid yaitu tetraterpenoid C40, merupakan golongan pigmen yang larut lipid dan tersebar luas, terdapat dalam semua jenis tumbuhan mulai dari bakteri sederhana sampai ke compositae yang berbunga kuning.  Pada hewan, suatu karotenoid khusus yaitu β-karotenoid merupakan makanan yang diperlukan karena ia merupakan sumber vitamin A yaitu suatu isoprenoid alkohol C20.  Vitamin A diperoleh setelah β-karoten mengalami hidrasi dan molekulnya terpecah menjadi dua. Pada tumbuhan, karotenoid mempunyai dua fungsi yaitu sebagai pigmen pembantu dalam fotosintesis dan sebagai pewarna dalam bunga dan buah.  Dalam bunga, karotenoid kebanyakan berupa zat warna kuning, sementara dalam buah dapat juga berupa zat warna jingga atu merah.  Karotenoid yang terkenal adalah hidrokarbon tak jenuh turunan likopen atau turunan Likopen teroksigenasi yang dikenal sebagai xantofil.

Kegunaan Terpenoid

Kegunaan terpenoid bagi tumbuhan antara lain :

Fitoaleksin

Fitoaleksin adalah suatu senyawa anti-mikrobial yang dibiosintesis (dibuat) dan diakumulasikan oleh tanaman setelah terjadi infeksi dari mikroorganisme patogen atau terpapar senyawa kimia tertentu dan radiasi dengan sinar UV.

Permasalahan:

1.      Jelaskan bagaiman flavonoid itu dapat dibagi menjadi beberapa dengan bentuk yang berbeda tergantung pada karbon dari cincin C di mana cincin B dipasang, dan tingkat ketidak jenuhan dan oksidasi cincin C? (lihat pada struktur  flavonoid)

2.      Jelaskan cara memodifikasi satu atau lebih dari Kebanyakan opioid semi-sintetik, baik subkelompok morfin dan kodein ?

3.      Jelaskan mengapa baik morfin maupun bentuknya yang terhidrasi, C ₁₇ H ₁₉ NO ₃ H ₂ O, sedikit larut dalam air. Misalkan  dalam lima liter air, hanya satu gram hidrat yang akan larut, mengapa demikian?