proses kimia dan kombinatorial kimia

Kimia kombinatorial merupakan suatu pendekatan dalam ilmu kimia yang melibatkan sintesis berbagai jenis molekul yang berjumlah banyak tetapi erat terkait satu sama lain. Proses ini dibantu oleh simulasi dengan komputer dan peralatan robotik.

Kimia kombinatorial melibatkan metode sintesis kimia yang memungkinkan untuk mempreparasi senyawa dalam jumlah yang besar (puluhan hingga ribuan atau bahkan jutaan) dalam suatu proses tunggal. Perpustakaan senyawa tersebut dapat dibuat sebagai campuran, serangkaian senyawa tunggal atau struktur senyawa kimia yang dihasilkan dari program komputer. Kimia kombinatorial dapat pula digunakan untuk mensintesis molekul kecil dan peptida.

Strategi yang digunakan untuk mengidentifikasi komponen yang berguna dalam perpustakaan senyawa tersebut juga merupakan bagian dari kimia kombinatorial. Metode yang digunakan dalam kimia kombinatorial dapat pula diaplikasikan di luar bidang ilmu kimia.

Sintesis molekul secara kombinatorial dapat secara cepat menghasilkan molekul dalam jumlah yang besar. Misalnya, suatu molekul dengan tiga titik perbedaan (R₁, R₂, dan R₃) dapat membentuk struktur ${\displaystyle N_{R_{1}}\times N_{R_{2}}\times N_{R_{3}}}$ yang mungkin, di mana ${\displaystyle N_{R_{1}}}$, ${\displaystyle N_{R_{2}}}$, dan ${\displaystyle N_{R_{3}}}$ adalah jumlah substituen berbeda yang dipergunakan.

Prinsip dasar dari kimia kombinatorial adalah untuk menyiapkan perpustakaan senyawa dalam jumlah besar dan kemudian mengidentifikasi komponen dari perpustakaan tersebut.

Walaupun kimia kombinatorial telah benar-benar diterapkan dalam industri sejak 1990-an, akar penerapannya dapat dilihat kembali pada tahun 1960-an ketika seorang peneliti di Rockefeller University, Bruce Merrifield, memulai menginvestigasi sintesis fasa padat dari peptida, komponen protein.

Dalam bentuk modernnya, kimia kombinatorial kemungkinan memberi pengaruh besar bagi industri farmasi. Peneliti mencoba untuk mengoptimasi profil aktivitas dari suatu senyawa dengan membuat 'perpustakaan' dari banyak senyawa yang berbeda namun saling terkait satu sama lain. Kemajuan dalam robotika menjadikan pendekatan industri terhadap sintesis kombinatorial semakin erat, membuat perusahaan secara rutin menghasilkan lebih dari 100,000 senyawa baru dan unik setiap tahun.

Untuk memegang kendali terhadap banyaknya kemungkinan struktur, peneliti terkadang membuat suatu 'perpustakaan virtual', suatu pencacahan komputasi dari seluruh struktur yang mungkin dari farmakofor yang diberikan dengan semua reaktan yang tersedia. Perpustakaan tersebut dapat terdiri dari ribuan hingga jutaan senyawa 'virtual'. Peneliti akan memilih suatu subset 'perpustakaan virtual' bagi sintesis yang sebenarnya, berdasarkan berbagai perhitungan dan kriteria (lihat ADME, kimia komputasi, dan QSAR).

Sintesis kombinatorial - peptida

Pembentukan peptida dalam siklus 3 dan 4

"Sintesis pisah-campur" ("split-mix synthesis") kombinatorial didasari oleh sintesis fasa padat yang dikembangkan oleh Merrifield. Jika perpustakaan peptida kombinatorial disintesis menggunakan 20 asam amino (atau jenis lain dari blok pembangun) manik akan membentuk dukungan padat yang dibagi menjadi 20 bagian yang sama. Hal ini diikuti dengan kopling asam amino yang berbeda untuk setiap bagian. Langkah ketiga adalah mencampur semua bagian. Ketiga langkah tersebut menampilkan berbagai siklus. Pemanjangan rantai peptida dapat diwujudkan hanya dengan mengulangi langkah-langkah dalam siklus.

Diagram alir "sintesis pisah-campur" kombinatorial

Prosedur ini diilustrasikan oleh sintesis perpustakaan dipeptida menggunakan tiga asam amino yang sama seperti blok pembangun di kedua siklus. Setiap komponen dari perpustakaan ini mengandung dua asam amino yang disusun dalam urutan yang berbeda. Asam amino yang digunakan dalam kopling diwakili oleh lingkaran kuning, biru dan merah pada gambar. Panah divergen menunjukkan pembagian resin dukungan padat (lingkaran hijau) ke dalam bagian yang sama, panah vertikal berarti kopling dan panah konvergen mewakili pencampuran dan homogenisasi bagian dari dukungan.

Gambar diatas menunjukkan bahwa dalam dua siklus sintetis 9 dipeptida terbentuk. Dalam siklus ketiga dan keempat 27 tripeptida dan 81 tetrapeptida akan terbentuk masing-masing.

Pada tahun 1990 tiga kelompok menjelaskan metode untuk mempersiapkan perpustakaan peptida dengan metode biologis dan satu tahun kemudian Fodor et al. mempublikasikan metode yang luar biasa untuk sintesis dari susunan peptida pada slide kaca kecil.

Sebuah metode "sintesis paralel" dikembangkan oleh Mario Geysen dan rekan-rekannya untuk preparasi susunan peptida. Mereka mensintesis 96 peptida pada batang plastik (pin) yang dilapisi di ujungnya dengan dukungan padat. Pin direndam ke dalam larutan pereaksi yang ditempatkan di dalam sumur dari piringan mikrotiter. Metode ini banyak diterapkan terutama dengan menggunakan synthesizer paralel otomatis. Meskipun metode paralel jauh lebih lambat daripada kombinatorial nyata, keuntungannya adalah bahwa hal itu diketahui persis mana peptida atau bentuk senyawa lainnya pada setiap pin.

Prosedur lebih lanjut dikembangkan untuk menggabungkan keuntungan baik pisah-campur dan sintesis paralel. Dalam metode yang dijelaskan oleh dua kelompok lainnya dukungan padat ditutupi dalam kapsul plastik permeabel bersama-sama dengan tag frekuensi radio yang membawa kode senyawa yang akan dibentuk dalam kapsul. Prosedur ini dilaksanakan mirip dengan metode pisah-campur. Pada langkah pisah, namun kapsul yang didistribusikan di antara pembuluh reaksi sesuai dengan kode yang dibaca dari tag frekuensi radio pada kapsul.

Sebuah metode yang berbeda untuk tujuan yang sama dikembangkan oleh Furka et al. bernama "sintesis senar". Dalam metode ini kapsul tersebut membawa tanpa kode. Mereka dirangkai seperti mutiara di dalam kalung dan ditempatkan ke dalam pembuluh reaksi dalam bentuk senar. Identitas kapsul tersebut, serta isinya, disimpan oleh posisi mereka ditempati pada string. Setelah setiap langkah kopling, kapsul didistribusikan di antara senar baru sesuai dengan aturan yang pasti.

Sintesis kombinatorial - molekul kecil

Sebuah diagram yang menggambarkan penggunaan perpustakaan kombinatorial dinamis untuk memilih reseptor optimal

Kimia kombinatorial dinamis menggunakan pendekatan yang berbeda untuk sintesis perpustakaan senyawa. Perpustakaan kombinatorial dinamis dihasilkan dari serangkaian dari blok pembangun reaktif yang dapat bereaksi dengan satu sama lain melalui reaksi reversibel. Dalam hal ini, distribusi produk di perpustakaan ditentukan oleh stabilitas relatif dari anggotanya. Salah satu komponen pada perpustakaan dapat distabilkan dengan menambahkan templat daripada yang dapat membentuk ikatan non-kovalen dengannya. Hal ini mengubah distribusi produk dan lebih menyukai pembentukan anggota perpustakaan yang stabil dengan mengorbankan komponen.

Teknik material

Teknik material telah menerapkan teknik kimia kombinatorial untuk penemuan material baru. Karya ini dipelopori oleh P.G. Schultz et al. pada pertengahan 1990-an dalam konteks material berkilau yang diperoleh dengan pengendapan bersama unsur-unsur pada substrat silikon. Karyanya didahului oleh J. J. Hanak pada tahun 1970 namun alat komputer dan robotika tidak tersedia untuk metode ini menyebar pada saat itu. Karyanya telah dilanjutkan oleh beberapa kelompok akademis serta perusahaan dengan program penelitian dan pengembangan yang besar (Symyx Technologies, GE, Dow Chemical dan lainnya). Teknik ini telah digunakan secara luas untuk katalisis, pelapis, elektronik, dan banyak bidang lainnya Penerapan alat informatika yang tepat sangat penting untuk menangani, mengelola, dan menyimpan volume besar data yang dihasilkan Jenis baru metode desain eksperimen juga telah dikembangkan untuk secara efisien mengatasi ruang eksperimen besar yang dapat ditangani dengan menggunakan metode kombinatorial.

PROSES KIMIA DAN KIMIA KOMBINATORIAL

Kimia kombinatorial terdiri dari metode sintetis kimia yang memungkinkan untuk menyiapkan sejumlah besar (puluhan hingga ribuan atau bahkan jutaan) senyawa dalam satu proses. Senyawa  ini dapat dibuat sebagai campuran, suatu senyawa atau struktur kimia yang dihasilkan menggunakan  perangkat lunak komputer. Kimia kombinatorial dapat digunakan untuk sintesis molekul kecil dan untuk peptida.

Kimia  kombinatorial  mulai  digunakan  oleh  industri pada tahun 1990-an. Namun sebenarnya,perkembangannya  sudah  dimulai  pada  tahun  1960-an ada penelitian tentang sintesis fase padat dari peptide, komponen protein oleh Robert Bruce Merrifield dari Rockfeller   University.   Kemudian teknik sintesis ini dikembangkan lebih lanjut oleh  H.Maro Geysen pada tahun 1980-an.

Kimia kombinatorial telah berkembang dan mempercepat proses sintesis bahan-bahan kimia. Dalam kimia kombinatorial, zat-zat kimia tidak direaksikan satu persatu sebagaimana dilakukan pada awalnya (caratradisional), tetapi direaksikan secara bersamaan dan menghasilkan molekul baru hasil sintesis dalam jumlah besar yang meningkat secara eksponesial. Penggunaan kaidah menghitung memungkinkan analisis terhadap kemungkinan jumlah yang dapat dihasilkan melalui suatu proses sintesis. Kimia kombinatorial paling besar manfaatnya di bidang farmasi. Ilmu komputer juga berpengaruh terhadap kimia kombinatorial di bidang ini

Dalam menghitung semua kemungkinan pengaturan objek secara kombinatorial, ada dua kaidah dasar penghitungan, yaitu:

1. Kaidah perkalian (rule of product ): Misalnya ada dua buah percobaan yang dilakukan secara bersamaan, yaitu percobaan 1 dengan hasil sejumlah N1dan  percobaan 2 dengan hasil sejumlah N2, jumlah seluruh kemungkinan adalah

N1xN2

2. Kaidah penjumlahan (rule of sum): Sama seperti contoh sebelumnya, dimisalkan ada dua buah percobaan, percobaan 1 dan percobaan 2, dengan hasil masing-masing sejumlah N1 dan N2, tetapi hanya salah satu dari kedua percobaan yang dilakukan. Dalam hal ini, jumlah seluruh kemungkinan adalah

N1 + N2

Kaidah menghitung ini dapat diperluas untuk lebih dari dua percobaan yang saling lepas, yaitu dengan perkalian atau penjumlahan berulang sebanyak jumlah percobaan yang dilakukan, yaitu N 1× N 2 × …× Nn

untuk kaidah perkalian, dan

N 1+ N 2+ …+ Nn

untuk kaidah penjumlahan.

BERBAGAI REAKSI KIMIA

Sintesis kimia berawal dari reaksi-reaksi kimia. Ada berbagai reaksi kimia berdasarkan jenisnya, Reaksi Asam-Basa Reaksi ini melibatkan senyawa dengan dua sifat yang berlawanan, yakni asam dan basa. Ada tiga teori untuk menjelaskan perbedaan antara asam dan basa, yaitu

Menurut teori Arrhenius, reaksi asam-basa berlangsung di dalam air (H2O). Persamaan secara umumnya asam + basa → garam + H 2O

Sebagai contoh, reaksi antara asam hidroklorida, HCl, dengan natrium hidroksida (NaOH), yang bersifat basa, dituliskan sebagai

HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl(aq) + H2 O

Karena hasil reaksi, yaitu air, bersifat netral (keasamannya), reaksi ini disebut reaksi netralisasi. Karena asam dan basa mengion seluruhnya, dalam hal ini, ion natrium (Na+ ) dan klorida (Cl–) berperan sebagai ion pengamat (spectator ions), sehingga dapat diabaikan.

Reaksi Reduksi-Oksidasi

Reaksi ini melibatkan perpindahan elektron pada pereaksinya, dari reaksi ini, dari pertukaran elektron ini, dapat terbentuk (beberapa) zat baru. Reaksi reduksi adalah reaksi yang melibatkan penerimaan elektron pada suatu atom atau senyawa, sementara reaksi oksidasi adalah reaksi yang melibatkan pelepasan elektron.

Agar dapat berlangsung, sintesis fase padat memerlukan beberapa komponen, yaitu

1. Bahan polimer yang inert (tidak tergantung) terhadap kondisi sintesis
2. Pengait substrat (zat-zat yang direaksikan)
3. Strategi perlindungan untuk dapat melakukan proteksi atau deproteksi secara selektif terhadap gugus-gugus reaktif

Sintesis kimia secara kombinatorial pada fase padat memanfaatkan suatu proses yang dinamakan sebagai sintesis “campur dan pisahkan”. Proses ini dilakukan dengan membagi bahan pendukung reaksi berupa resin ke dalam beberapa porsi. Setelah itu, tiap-tiap porsi dimasukkan ke dalam masing-masing pereaksi untuk mengaktifkan pereaksi. Setelah reaksi pengaktifan selesai, dilakukan pencucian untuk membersihkan sisa-sisa pereaksi sisa berlebih. Kemudian, porsi-porsi tersebut dicampurkan secara merata. Setelah proses pencampuran, hasil reaksinya kemudian boleh jadi dipisah-pisahkan lagi ke dalam sejumlah porsi. Reaksi dalam sintesis ini menghasilkan jumlah yang lengkap dari senyawasenyawa dimer (senyawa yang strukturnya merupakan gabungan dari dua buah komponen penyusun) yang mungkin terbentuk.

Aplikasi dan Perkembangan Kimia Kombinatorial

Manfaat terbesar dari kimia kombinatorial adalah penemuan bahan-bahan baru, khususnya di bidang farmasi. Proses pembuatan bahan obat-obatan dapat melibatkan proses pemisahan maya (virtual screening), yaitu menggunakan simulasi dengan bantuan komputer, juga pemisahan secara nyata (real), yang dilakukan secara eksperimen

Metode komputasi pada virtual screening dalam pembuatan obat-obatan dapat dimanfaatkan sebagai alat bantu prediksi atau simulasi bagaimana suatu senyawa tertentu bereaksi dengan protein sasaran tertentu. Simulasi dengan komputer ini berguna, khususnya dalam membuat hipotesis atau merencanakan penyempurnaaan terhadap bahan obatobatan yang sudah ada.

PERMASALAHAN:

1. Mengapa sintesis molekul secara kombinatorial dapat secara cepat menghasilkan molekul dalam jumlah yang besar dan bagaimana proses suatu molekul dengan tiga titik perbedaan (R₁, R₂, dan R₃) dapat membentuk struktur  yang mungkin
2. Mengapa jika perpustakaan peptida kombinatorial disintesis menggunakan 20 asam amino (atau jenis lain dari blok pembangun) manik akan membentuk dukungan padat yang dibagi menjadi 20 bagian yang sama dan apa yang terjadi jika asam amino membentuk dukungan padat yang berbeda?