KATALISIS

Dhadhang Wahyu Kurniawan@Dhadhang_WK

Laboratorium Farmasetika Unsoed

11/20/2012 1

• Pengertian katalisPengertian katalis, • Cara kerja katalis, 

k li• Macam katalisator – asam spesifik, – basa spesifik, – asam umum, – basa umum, – nukleofilik

11/20/2012 2

• Kecepatan reaksi secara bertahap dipengaruhiKecepatan 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 asamdengan penambahan sejumlah kecil asam, kecepatan reaksi bertambah (asam berlaku sebagai katalisator)sebagai katalisator).

11/20/2012 3

Pengertian KatalisPengertian KatalisKatalis/katalisator adalah substansi yang menambah konstanta kecepatan reaksi tetapi tidak mengubah konstanta kesetimbangan reaksireaksi.Katalis adalah substansi yang mempengaruhi kecepatan reaksi tanpa dirinya sendirikecepatan reaksi tanpa dirinya sendiri menjadi berubah secara kimiawi.Katalis tidak dikonsumsi dalam keseluruhan reaksi, maksudnya setelah dikonsumsi akan dilepaskan

11/20/2012 4

Pengertian KatalisPengertian Katalis

Katalis memberikan efeknya karena dapatKatalis memberikan efeknya karena dapat berinteraksi baik secara kovalen atau nonkovalen dengan reaktanKatalis yang menurunkan kecepatan reaksi adalah katalis negatif.K t li ki b b hKatalis mungkin berubah secara permanen selama reaksi  inhibitorSelama katalis tidak berubah pada akhir reaksiSelama katalis tidak berubah pada akhir reaksi tidak mengubah keseluruhan ΔG°, di mana ΔG° = ‐R.T. ln K

11/20/2012 5

KatalisisKatalisis• 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

KatalisisKatalisis 

11/20/2012 7

Bagaimana katalis beroperasi???Bagaimana katalis beroperasi???

1. Katalis bergabung dengan reaktan (substrat)1. Katalis bergabung dengan reaktan (substrat) membentuk suatu intermediet (kompleks) kemudian terurai membentuk katalis dan produk.Katalis menurunkan energi aktivasi (Ea) d b h k idengan mengubah proses mekanisme. Katalis menurunkan Ea dengan meningkatkan energi intermediet sehinggameningkatkan energi intermediet sehingga energi yang harus dilewati untuk menjadi produk menjadi kecilproduk menjadi kecil.

11/20/2012 8

Bagaimana katalis beroperasi??Bagaimana katalis beroperasi??

2. Katalis mungkin bereaksi dengan2. Katalis 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 katalitikAksi katalitik

• Katalis homogen: katalis berada dalam satuKatalis homogen: katalis berada dalam satu fase dengan reaktan, contoh: katalis dan reaktan terlarut dalam mediareaktan terlarut dalam media.

• Katalis heterogen: katalis berada dalam fase yang berbeda dengan reaktan contoh: katalisyang berbeda dengan reaktan, contoh: katalis berupa padatan dan reaktan terlarut dalam mediamedia.

11/20/2012 10

Aksi katalitikAksi katalitik• Katalis serbuk wadah/katalis lapisan pada dinding p p gwadah  platina.– Prosesnya disebut katalisis kontak: pereaksi teradsorpsi pada permukaan kasar katalis yang dikenal sebagai pusat aktif  adsorpsi ini berakibat melemahnya ikatan molekulberakibat melemahnya ikatan molekul, menurunkan energi aktivasi.

–Molekul teraktivasi kemudian dapat bereaksiMolekul teraktivasi kemudian dapat bereaksi dan hasil reaksi melepaskan diri dari dari permukaan katalis.

11/20/2012 11

Macam KatalisatorMacam Katalisator

1. Katalisator asam spesifikpKatalisis oleh proton yang tersolvasi, yaituH3O+3

2. Katalisator basa spesifikKatalisis oleh OH‐ dalam larutan

3. Katalisator asam umumKatalisis oleh asam proton selain H3O+ , p 3 ,dilakukan oleh asam Bronsted sebagaidonor protonp

11/20/2012 12

Macam KatalisatorMacam Katalisator

4 Katalisator basa umum4. Katalisator basa umumKatalisis oleh basa Bronsted selain OH‐danbasa ini berlaku sebagai penerima protonbasa ini berlaku sebagai penerima proton yaitu berbagi pasangan elektron denganprotonproton

5. Katalisator nukleofilikKatalisis oleh suatu basa (nukleofil) yangKatalisis oleh suatu basa (nukleofil) yang berbagi pasangan elektron dengan atom (biasanya atom karbon) selain proton(biasanya atom karbon) selain proton.

11/20/2012 13

Macam KatalisatorMacam Katalisator

6 Katalisator elektrofilik6. Katalisator elektrofilikKatalisis oleh asam Lewis, seperti ion logam, yang berlaku sebagai katalisator dengan carayang berlaku sebagai katalisator dengan cara menerima pasangan elektron.

11/20/2012 14

Katalisis Asam SpesifikKatalisis Asam Spesifik

• Hidrolisis ester adalah contoh reaksi katalisHidrolisis ester adalah contoh reaksi katalisasam spesifik. Di dalam larutan asam kuat, reaksi hanya dipercepat oleh ion hidroniumreaksi hanya dipercepat oleh ion hidronium.

• Persamaan lajunya:L j k [H O]+[S]Laju = kas [H3O]+[S]Dimana [S] : konsentrasi esterkas : tetapan laju reaksi hidrolisis spesifik asam

11/20/2012 15

Katalisis Asam UmumKatalisis Asam UmumSeperti halnya katalisis spesifik, berhubungan dengan

t dii t d k ik k d b i l k lproton diintroduksikan kepada bagian molekul yang direaksikan dan serangan elektron terhadap molekul air. Perbedaannya adalah bahwa katalisator asam spesifikPerbedaannya adalah bahwa katalisator asam spesifikmenggunakan ion hidronium sedangkan reaksi katalisisasam umummenggunakan sembarang asam Bronstedsebagai donor proton. Untuk katalisis asam umum, pembentukan kation SH+

merupakan tahap lambat Reaksi kondensasi aidol adalahmerupakan tahap lambat. Reaksi kondensasi aidol adalahmerupakan contoh reaksi yang bergantung kepadamekanisme.

11/20/2012 16

Katalisis Basa UmumKatalisis Basa Umum

• Katalis menyerang air dulu kemudian airKatalis 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 meningkatkecepatan reaksi meningkat.

11/20/2012 17

Katalisis NukleofilikKatalisis Nukleofilik• Katalis langsung menyerang reaktan. Basa g g y gBronsted 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 menjadireaktan sehingga kecepatan reaksi menjadi lebih besar

11/20/2012 18

Katalisis nukleofilik intramolekulerKatalisis nukleofilik intramolekuler

• Gugus dalam molekul menyerang gugus lainGugus 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 menentukank k l kmekanisme katalitik

• Struktur R dan X dari senyawa asil (R‐CO‐X)Struktur R dan X dari senyawa asil (R CO X)• Kekuatan nukleofilik dan stabilitas intermediet nukleofilik terasilasi.intermediet nukleofilik terasilasi. Nukleofilik lemah  katalisis lemah

• Polaritas solven. Dengan solven yangPolaritas solven. Dengan solven yang polaritasnya semakin tinggi, maka katalisis nukleofilik lebih terdorong untuk terjadi. Nukleofilik dinyatakan kuat jika tingkat kebasaan tinggi  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 l h l l h l lNucleophilic‐Electrophilic Catalysis

• The catalysis of chloramphenicol hydrolysis by y p y y yphosphate 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 ratereactions and determine their reaction rate.

• Equation (2.105) describes the degradation rate constant assuming that the monoanion or theconstant, 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 chloramphenicolhalf‐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 l h l l h l lNucleophilic‐Electrophilic Catalysis

• Many studies on general acid‐base catalysis haveMany studies on general acid base 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 

h b l i illi f d il d b i illisuch as benzylpenicillin, cefadroxil, and carbenicillin (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

Effect of phosphate p pconcentration on hydrolysis rate of representative drug substances for whichsubstances for which phosphate buffer catalysis is observed:O Benzylpenicillin, 60°C, pH 7.05; Δ cefadroxil 35°C pH 7 20;Δ cefadroxil, 35 C, pH 7.20; • carbenicillin, 35°C, pH 7.48. (with permission.)

11/20/2012 25

Buffer, General Acid‐Base, and l h l l h l lNucleophilic‐Electrophilic Catalysis

• In addition to possible general acid‐base catalysis h b ff t ith t dwhere a buffer can act as either a proton donor or 

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 catalysisanion 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 edintermediate 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 l h l l h l lNucleophilic‐Electrophilic Catalysis

• 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 pcatalysis by various phenoxide anions when the carbohydrate species are included on the plot. These deviations may be due to the very highThese 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 l h l l h l lNucleophilic‐Electrophilic Catalysis

• Other examples of general base catalysis andOther examples of general base catalysis and nucleophilic catalysis that have been reported include the hydrolysis of cefotiam andinclude the hydrolysis of cefotiam and cefsulodin catalyzed by amikacin and kanamycin and the hydrolysis of moxalactamkanamycin and the hydrolysis of moxalactam catalyzed by various amines.

11/20/2012 29