Stereokimia Lanjut Persenyawaan Kimia Organik

Stereokimia

Stereoisomer merupakan molekul yang memiliki konstitusi yang sama, tetapi berbeda disposisi kelompok di tiga dimensi. Dengan kata lain atom-atom terhubung satu sama lain dengan cara yang sama, mereka hanya berbeda sehubungan dengan orientasi relatif dalam ruang tiga dimensi.

Stereokimia adalah masalah penting dalam sintesis apa pun. Stereokimia menggambarkan dua poin utama. Pertama, pemutusan harus dilakukan pada ikatan C-C di mana salah satu atom karbon adalah pusat stereogenik. Pemutusan ikatan yang jauh dari pusat stereogenik biasanya mengarah pada retrosintesis yang kurang efisien dan kurang diinginkan, dan seringkali lebih sulit. Masalah kedua berkaitan dengan mesin pencari. Mencari struktur yang tepat dengan steroid yang utuh (struktur enantiopure) mungkin tidak menghasilkan hit, sedangkan pencarian yang sama untuk struktur rasemik dapat menghasilkan banyak hit atau setidaknya struktur terkait yang dapat membantu perencanaan. Memang, mungkin lebih bermanfaat untuk memulai pencarian dengan senyawa rasemik dan menggunakan informasi itu untuk memandu setiap pencarian dengan senyawa enantiopure.

Perbedaan dalam struktur 3 dimensi ini mencegah enansiomer yang tidak aktif dari memiliki efek biologis di situs pengikatan ini. Dalam beberapa kasus, bagian dari molekul yang mengandung pusat kiral mungkin berada di wilayah yang tidak berperan dalam kemampuan molekul untuk berinteraksi dengan targetnya. Dalam hal ini, enansiomer individu dapat menampilkan farmakologi yang sangat mirip atau bahkan setara di lokasi target mereka. Bahkan dalam kasus-kasus ini, enansiomer mungkin berbeda dalam profil metaboliknya serta afinitasnya terhadap reseptor, pengangkut, atau enzim lain.

Senyawa Dengan Beberapa Pusat Kiral

Kiral didefinisikan sebagai objek di mana gambar cermin tidak dapat ditumpangkan. Contoh yang baik adalah tangan Anda; adalah gambar cermin tetapi tidak bisa ditumpangkan. Menerjemahkan ini ke molekul organik, stereocenter adalah pusat karbon dengan 4 substituen unik yang diatur sedemikian rupa sehingga gambar cermin tidak dapat ditumpangkan. Jadi, mereka “mirip” dengan molekul yang berbeda walaupun mereka memiliki substituen yang sama. Jika kita mengubah pengaturan substituen, kita selalu dapat menemukan 2 pengaturan untuk setiap substituen, konfigurasi R atau S. Dengan demikian, setiap stereocenter harus memiliki 2 stereoisomer.

2 gambar cermin dari molekul kiral disebut enantiomer. Seperti tangan, enansiomer datang berpasangan. Kedua molekul pasangan enansiomer memiliki komposisi kimia yang sama dan dapat ditarik dengan cara yang sama dalam 2 dimensi (misalnya, struktur obat pada kemasan paket), tetapi dalam lingkungan kiral seperti reseptor dan enzim dalam tubuh, mereka dapat berperilaku berbeda. Rasemat (sering disebut campuran rasemat) adalah campuran dengan jumlah yang sama dari kedua enansiomer dari obat kiral. Sifat chiralitas dalam obat-obatan paling sering muncul dari sebuah atom karbon yang melekat pada 4 kelompok berbeda, tetapi dapat juga ada sumber sifat kiralitas lainnya. Enansiomer tunggal kadang-kadang disebut sebagai isomer tunggal atau stereoisomer.

Sekarang, lihat senyawa C, dimana konfigurasinya adalah S di pusat kiral 1 dan R di pusat kiral 2. Senyawa A dan C adalah stereoisomer: mereka memiliki rumus molekul yang sama dan konektivitas ikatan yang sama, tetapi susunan atom yang berbeda di space (ingat bahwa ini adalah definisi istilah 'stereoisomer). Namun, mereka bukan gambar cermin satu sama lain. Sehingga mereka bukan enansiomer. Menurut definisi, mereka adalah diastereomer satu sama lain. Perhatikan bahwa senyawa C dan B juga memiliki hubungan diastereomer, dengan definisi yang sama.

Jadi, senyawa A dan B adalah sepasang enansiomer, dan senyawa C adalah diastereomer keduanya. Apakah senyawa C memiliki enansiomernya sendiri? Senyawa D adalah gambar cermin dari senyawa C, dan keduanya tidak dapat ditumpangkan. Oleh karena itu, C dan D adalah sepasang enantiomer. Senyawa D juga merupakan diastereomer senyawa A dan B.

Sebagai contoh, enansiomer molekul dengan stereokimia R, R adalah S, S. Hubungan antara molekul R, R dan R, S adalah apa yang digambarkan sebagai diastereomer, yang berbeda dalam beberapa tetapi tidak semua stereosenter.

Inilah cara lain untuk memandang keempat stereoisomer, di mana satu pusat kiral dikaitkan dengan merah dan biru lainnya. Pasangan enantiomer ditumpuk bersama.

Kita tahu, bahwa enansiomer RR harus SS dan kedua pusat kiral berbeda. Kita juga tahu bahwa RS dan SR adalah diastereomer RR, karena dalam setiap kasus satu dengan pusat kiral berbeda.

Sekarang, mari kita memperluas analisis kita ke molekul gula dengan tiga pusat kiral. Melalui semua kombinasi yang memungkinkan, kami menghasilkan delapan stereoisomer total - empat pasang enansiomer.

Satu lagi definisi pada titik ini: diastereomer yang berbeda hanya pada satu pusat kiral tunggal disebut epimer. Misalnya, RRR dan SRR adalah epimer:

stilah epimers berguna karena dalam jalur biokimiawi, senyawa dengan pusat kiral ganda di isomerisasi pada satu pusat spesifik oleh enzim yang dikenal sebagai epimerase. Dua contoh reaksi yang dikatalisis epimerase di bawah ini.

Permasalahan :

1. Bagaimana sifat-sifat dari enantiomer tersebut ?

2. Bagaimana membedakan antara Chiral dengan Achiral ?

3. Bagaimana cara menentukan apakah suatu molekul tersebut sebagai Enantiomer, Diastereomer atau Senyawa Meso ?

Biosintesis Metabolit Primer dan Sekunder

BIOSINTESIS

Biosintesis adalah proses katalisis produk alami melalui reaksi enzimatik, seperti pada metabolisme sel. Reaksi enzimatik berturut-turut dilakukan oleh sejumlah enzim umumnya diperlukan untuk mencapai senyawa aktif biologis tunggal, dimana substrat diubah menjadi senyawa lain (produk) yang biasanya memiliki struktur lebih kompleks. Biosintesis dapat dieksploitasi untuk sintesis kimia in-vitro atau dalam sel-sel seperti Escherichia coli dengan menggabungkan substrat dengan enzim menggunakan metode rekombinan.

Berikut penjelasan mengenai jalur biosintesis :

1. Fotosintesis atau glukoneogenesis, membentuk monosakarida, sehingga menghasilkan polisakarida (selulosa, kitin, glikogen, dll.).

2. Jalur asetat, menghasilkan asam lemak dan poliketida.

3. Jalur shikimat, menghasilkan asam amino aromatik dan fenilpropanoid.

4. Jalur mevalonat dan jalur metiletritritol fosfat, membentuk terpenoid dan steroid Asam amino, sehingga menghasilkan alkaloid.

Biosintesis ini terjadi karena untuk menghasilkan suatu senyawa-senyawa esensial dan dasar reaksi-reaksi kehidupan misalnya suatu gula/karbohidrat yang menghasilkan energi, serta asam amino untuk membentuk jaringan dan biokatalis, dan asam lemak untuk membentuk dinding sel dan cadangan energi. Tanpa metabolit primer dasar-dasar hayati tidak akan ada dan metabolit sekunder juga tidak bisa diproduksi. Suatu proses yang kompleks dari reaksi-reaksi yang dikatalisis oleh enzim, yang bermula dari pengikatan karbondioksida dalam proses fotosintesis, sampai ke senyawa-senyawa yang beragam yang disebut metabolit primer, misalnya asam amino, asetil koenzim-A, asam mevalonat, gula, dan nukleotida. 

Senyawa koenzim adenosine trifosfat (ATP) memiliki fungsi yang sangat penting bagi seluruh kehidupan di dalam proses metabolisme, yang fungsinya sebagai penghantar energi. Proses reaksi yang terjadi meliputi metabolisme primer dan metabolisme sekunder. Jika diilustrasikan bahwa metabolisme primer merupakan jalan utama dari proses metabolisme, sedangkan metabolisme sekunder merupakan terminal-terminal pada cabang-cabang jalan utama tersebut. Polisakarida, protein, lemak, dan asam nukleat merupakan penyusun utama dari makhluk hidup, karena itu disebut metabolit primer. Keseluruhan proses sintesis dan perombakan zat-zat ini, yang dilakukan oleh organisme untuk kelangsungan hidupnya, disebut proses-proses metabolisme primer. 

Biosintesis Metabolit Primer

Produk-produk metabolisme sekunder disebut sebagai produk alami, misalnya senyawa-senyawa terpen, alkaloid, pigmen. Metabolit sekunder meskipun tidak sangat penting bagi eksistensi suatu individu yang sering berperan pada kelangsungan hidup suatu spesies dalam mempertahankan diri dari spesies lain.

1. Biosintesis Asam Lemak

Biosintesis asam lemak berjalan dengan sederet reaksi melibatkan dua komplek enzim plus ATP, NADPH₂, Mn⁺⁺, dan karbon dioksida. Pertama asetat bereaksi dengan KoA dan asetil-K0A yang terbentuk diubah oleh reaksi dengan karbon dioksida menjadi malonil-KoA. Ini selanjutnya bereaksi dengan asetil-KoA membentuk zantara dengan 5 unit karbon, yang mengalami reduksi dan eliminasi karbon dioksida membentuk butiril-KoA. Senyawa malonil-K0A bereksi lagi dengan senyawa ini membentuk zantara dengan 7-atom karbon, yang direduksi menjadi kaproil KoA. Pengulangan reaksi ini akan membentuk asam lemak (fatty acids) yang mempunyai atom karbon genap dalam rantainya.

Gambar. jalur biosintesis : reaksi-reaksi

asam lemak yang mempunyai rantai karbon genap.

Gambar. reaksi-reaksi yang terlibat dalam pembentukan trigliserida.

2. Biosintesis Asam Amino dan Protein

Protein terdiri dari rangkaian asam amino. Di alam terdapat asam amino esensial dan nonesensial. Asam amino esensial tidak dapat disintesis oleh tubuh manusia, jadi harus diperoleh dan sumber protein dan luar.

3. Biosintesis Karbohidrat

Semua jenis karbohidrat diserap dalam bentuk monosakarida, proses penyerapan ini terjadi di usus halus. dijumpainya maltosa, sukrosa dan laktosa dalam urine apabila mengkonsumsi gula dalam jumlah banyak. Akhinya berbagai jenis karbohidrat diubah menjadi glukosa sebelum diikut sertakan dalam proses metabolisme.

Biosintesis Metabolit Sekunder

1. Jalur Asam Sikimat

Jalur asam sikimat merupakan jalur alternatif menuju senyawa aromatik, utamanya L-fenilalanin, L-tirosina, dan L-triptofan. Jalur ini berlangsung dalam mikroorganisme dan tumbuhan, tetapi tidak berlangsung dalam hewan, sehingga asam amino aromatik merupakan asam amino.

2. Jalur Asam Fenolat

Tabel Perbedaan Antara Metabolit Primer dan Sekunder.

Perbedaan	Metabolit primer	Metabolit sekunder
Pengertian	Produk-produk metabolisme yang diproduksi selama fase pertumbuhan suatu organisme untuk melakukan fungsi-fungsi fisiologis dan mendukung dalam keseluruhan perkembangan sel disebut metabolit primer.	Produk akhir metabolisme primer yang disintesis setelah fase pertumbuhan telah selesai dan penting dalam kegiatan ekologi dan aktivitas sel lainnya dikenal sebagai metabolit sekunder.
Nama lain	Trofofase.	Idiofase.
Terjadi pada	Fase pertumbuhan.	Fase diam.
Produksi	Ini diproduksi dalam jumlah besar, dan ekstraksinya mudah.	Ini diproduksi dalam jumlah kecil, dan ekstraksinya sulit.
Kejadian	Sama di setiap spesies, yang berarti mereka menghasilkan produk yang sama.	Bervariasi dalam spesies yang berbeda.
Peranan	1. Produk ini digunakan dalam industri untuk berbagai tujuan. 2. Produk primer memainkan peran penting dalam pertumbuhan, reproduksi, dan pengembangan sel.	1. Metabolit sekunder seperti antibiotik, giberelin juga penting. 2. Mereka juga secara tidak langsung mendukung sel, dalam mempertahankan hidup mereka untuk jangka waktu lama.
Contoh	Vitamin, karbohidrat, polimer alam, polisakarida, protein dan lipid adalah beberapa contohnya.	Fenolik, steroid, minyak atsiri, alkaloid, terpenoid, flavonoid, adalah beberapa contoh.

Beberapa contoh dan manfaat dari metabolit sekunder :

Kelas	Contoh senyawa	Contoh sumber	Efek dan kegunaan
Alkaloid	Nikotin, kokain teobromin	Tembakau, coklat	Mempengaruhi neurotransmisi dan menghambat kerja enzim
Terpenoid	Betakaroten	mengkudu	membantu merangsang kelenjar thymus untuk memproduksi lebih banyak sel Limfosit T yang dapat langsung menghancurkan sel kanker
Monoterpena	Mentol, linalool	Tumbuhan mint	Mempengaruhi neurotrasmisi, menghambat trasnpor ion, anestetik
Diterpena	Gossyypol	kapas	Menghambat fosforilasi toksik
Triterpena, glikosida	Digitogenin	digitalis	Stimulasi otot jantung mempengaruhi transpor ion
Stereol	Spinasterol	bayam	Mempengaruhi kerja hormon
Asam fenolat	Kafeat, klorogenat	Semua tanaman	Menyebabkan kerusakan oksidatif, timbulnya warna coklat pada buah dan wine
Tannius	Gallotanin, tanin terkondensasi	Kacang-kacangan	Mengikat pritein, enzim menghambat digesti. Antioksidan
Lignin	Lignin	Semua tanaman darat	Struktur, serat

Permasalahan :

1. Bagaimana fungsi metabolit sekunder bagi manusia dan tumbuhan ?

2. Glikosida merupakan golongan senyawa yang dihasilkan dari metabolisme sekunder. Bagaimanakah bentuk biosintesis dari glikosida tersebut ?

3. Mengapa metabolit sekunder tidak digunakan untuk proses pertumbuhan setiap organisme ?

Konformasi Struktur Persenyawaan Kimia Organik

Konformasi adalah suatu bentuk konformer dari sebuah molekul dengan rumus struktur  kimia yang sama namun posisi konformerny yang berbeda karena terjadinya rotasi dari sebuah atom-atom pada ikatan kimia atau dapat didefenisikan sebagai sebuah penataan ruang tertentu dari sebuah atom-atom dalam molekul. 

Terdapat beberapa jenis konformasi bagi suatu molekul, diantaranya :

1). Konformasi Eclipsed, di mana substituen pada atom yang berdekatan berada dalam jarak terdekat satu sama lain. Dapat dikatakan bahwa subtituen tersebut saling melampaui satu sama lain dalam proyeksi Newman. Atau dimana ikatan – ikatan C-H dari atom karbon yang satu tepat dibelakang ikatan C-H pada atom karbon yang lain jika dilihat sepanjang sumbu ikatan C-C.

Konformasi eclipsed memiliki dua atom atau kelompok yang memiliki sudut dihedral 0 atau 120 derajat. Ikatan pada sumbu rotasi selaras. Konformasi paling tidak stabil.

2). Konformasi Staggered adalah konformasi molekuler di mana kelompok/substituen pada atom-atom yang berdekatan ditempatkan paling rata satu sama lain. Dapat dikatakan bahwa subtituen tersebut saling melampaui satu sama lain dalam proyeksi Newman.

Konformasi staggered memiliki dua atom atau kelompok yang memiliki sudut dihedral 60 atau 180 derajat. Ikatan pada sumbu rotasi tidak selaras. Konformasi paling stabil.

Contoh konformasi Eclipsed dan Konformasi Staggered :

Isomer konformasi diberi nama sehubungan dengan kedekatan 2 kelompok metil. Sudut dihedral antara 2 kelompok metil, θ, berada di bawah setiap proyeksi Newman. Dari kiri ke kanan, isomer konformasi adalah:

a. Fully/totally eclipsed (θ = 0 derajat)
b. Gauche (θ = 60 derajat)
c. Eclipsed (θ = 120 derajat)
d. Anti (θ = 180 derajat)

konformasi eklips total (totally eclipsed), goyang (gauche), eklips sebagian (eclipsed), dan anti yang digambarkan pada gambar Struktur isomer konformasi dari butana berikut :

Perubahan energi potensial akibat rotasi ikatan C2-C3 pada butana.

Konformasi eclipsed dapat berubah menjadi konformasi staggered ketika sudut dihedral berubah menjadi 60 derajat. Perhatikan gambar berikut.

Isomer konformasi (Conformational Isomers) 

Isomer konformasi merupakan isomer yang struktur molekul dan orientasi ruangnya berbeda akibat dari  rotasi di sekitar ikatan tunggal. Rotasi yang terjadi pada  atom karbon dengan hibridisasi sp³. Csp³ – Csp³ akan berotasi sehingga menyebabkan terjadinya perbedaan tingkat energinya yang berdampak pada kestabilan sementara molekul, mekanisme, dan hasil reaksinya. Suatu senyawa yang memiliki isomer konformasi tidak bisa dipisahkan antara satu dengan yang  lain pada suhu kamar tetapi memiliki sifat fisik dan kimia yang tidak identik, seperti tingkat energi dan hasil reaksi.

Suatu senyawa yang mengalami isomer konformasi tidak mengalami kerusakan ikatan kimianya ketika salah satu konformasi diubah menjadi bentuk konformasi yang lain. Isomer konformasi dapat terjadi pada senyawa alkana dengan hibridisasi Csp³ baik yang berbentuk alifatis seperti etana, propana, butana maupun  siklis seperti sikloheksana.

Permasalahan :

1. Mengapa konformasi eclipsed dikatakan sebagai konformasi paling tidak stabil ?

2. Bagaimana bentuk isomer konformasi pada senyawa alkana alifatik dan alkana siklik ?

3. Bagaimana bentuk konformasi struktur yang terdapat pada etana ?