Process chemistry and combinatorial chemistry

Proses Kimia dan Kimia Kombinatorial  

Process Chemistry

Proses kimia merupakan cabang dari kimia farmasi yang berhubungan dengan pengembangan dan optimasi dari skema sintesis dan prosedur percontohan untuk memproduksi senyawa dalam mengembangkan obat. Proses kimia berbeda dengan kimia medis, dimana merupakan cabang kimia farmasi yang berperan dalam merancang dan mensintesis molekul pada fase penemuan obat awal.

Efisiensi biaya adalah sangat penting dalam proses kimia dan, akibatnya, adalah fokus dalam pertimbangan rute sintetis pabrik percontohan. Substansi obat yang diproduksi, sebelum formulasi, biasanya disebut sebagai bahan farmasi aktif (API) dan akan disebut demikian di sini. Biaya produksi API dapat dibagi menjadi dua komponen: “biaya material” dan “biaya konversi.” [2] Dampak ekologi dan lingkungan dari proses sintetis juga harus dievaluasi dengan metrik yang tepat (misalnya EcoScale).

Proses kimia sering digambarkan sebagai peningkatan reaksi, menggunakan jumlah kecil yang dilakukan di laboratorium menjadi jumlah yang lebih besar yang diperlukan untuk pengujian lebih lanjut, dan untuk produksi komersial.

Proses kimia membutuhkan perpaduan antara pengetahuan teoretis dan praktis. Selain menciptakan produk yang diinginkan, ahli proses kimia harus selalu mengatur biaya  menjaga keselamatan. Sebagai contoh, mencoba untuk menghindari mutagen dan karsinogen (atau menggunakannya di awal sintesis sehingga dapat dibersihkan sebelum produk akhir) dan menggunakan reagen mahal hanya nanti dalam proses (ketika ada lebih sedikit limbah). Kimia yang berkelanjutan (atau green) semakin penting dan menambah tingkat kompleksitas lain pada sistem

KIMIA KOMBINATORIAL

Kimia   kombinatorial   merupakan   suatupendekatan 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  mulai  digunakan  oleh industri pada tahun 1990-an. Namun sebenarnya, perkembangannya  sudah  dimulai  pada tahun  1960-an pada   penelitian   tentang   sintesis  fase   padat   dari peptida, 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 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

Proses Tradisional dan Proses Kimia Kombinatorial

Yang   membedakan   proses   sintesis   kimia   secara tradisional dengan proses secara kombinatorial adalah bahwa   dalam   proses   dengan   kimia  kombinatorial,pereaksi   (reaktan)   direaksikan  bersama-sama,   dan membentuk banyak hasil reaksi dari reaksi kimia yangberbeda-beda.Perbandingan  antara   proses   sintesis   kimia   secara tradisional  dan   kombinatorial   dapat   diilustrasikan sebagai berikut:

pada sintesis secara tradisional, sesuai pada contoh diatas dimisalkan senyawa A direaksikan   dengan senyawa B membentuk  senyawa AB. Reaksi dilakukan satu demi satu. Sementara itu, pada sintesis secara  kombinatorial dimungkinkan  untuk membuat setiap  kombinasi  yang  memungkinkan, mulai  dari  A1 hingga An dengan B1 hingga Bn.

Analisis Kombinatorial

Proses  sintesis  molekul-molekul  secara kombinatorial dapat  menghasilkan  banyak  ragam molekul.  Kimia kombinatorial   berperan   dalam  penemuan   beragam molekul   senyawa   baru   yang  susunannya   berbeda tetapi serupa. Melalui analisis kombinatorial dapat diperoleh jumlah molekul  yang terbentuk  melalui  suatu  proses  kimia kombinatorial.

Proses Sintesis Kombinatorial pada Fase Padat

Sintesis fase padat dianggap sebagai awal perkembangan kimia kombinatorial. Hal ini telah berkontribusi dalam penemuan bahan-bahan baru di bidang obat-obatan, katalisator (pemercepat reaksi), atau penemuan bahan-bahan alam. Sintesis ini merupakan sintesis organik dengan menggunakan bahan pendukung dalam wujud padat. 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 senyawa-senyawa dimer (senyawa yang strukturnya merupakan gabungan dari dua buah komponen penyusun) yang mungkin terbentuk. Jika dimisalkan terdapat X buah komponen (senyawa) yang direaksikan melalui proses yang telah disebutkan sebelumnya, jumlah dimer yang terbentuk adalah

X × X  (1)

Jumlah tersebut sesuai dengan aturan perkalian, yang telah disebutkan sebelumnya. Jika proses diulangi sebanyak n kali dengan mereaksikan hasil reaksi sebelumnya dengan komponen satuannya (yang berjumlah X), hasil reaksi yang terbentuk meningkat secara eksponensial, yaitu

Xⁿ  (2)

Rumus pada persamaan 2 tersebut sebenarnya merupakan perluasan dari kaidah perkalian, yang juga telah disebutkan sebelumnya. Hal ini menunjukkan bahwa hanya dengan beberapa langkah reaksi, dapat terbentuk banyak ragam molekul yang susunannya berbeda tetapi mirip.

Proses Sintesis Kombinatorial dengan Larutan

Selain sintesis fase padat, ada pula sintesis kombinatorial yang dilakukan pada larutan. Hal ini dilakukan untuk mengatasi keterbatasan pada sintesis fase padat. Keterbatasan/kekurangan sintesis fase padat untuk sintesis secara kombinatorial, antara lain bahan kimia yang berwujud padat terbatas dan terdapat kesulitan pada saat memantau sejauh mana reaksi berlangsung ketika substrat (bagian yang menjadi perhatian dari reaktan) dan hasil reaksi terkait pada bahan berfase padat. Kelebihan lain dari sintesis dengan larutan adalah tidak diperlukannya bahan-bahan yang menjadi prasyarat untuk melakukan sintesis pada fase padat. Proses sintesis secara tradisional melibatkan reaksi secara bertahap. Hasil reaksi dikarakterisasi dan dimurnikan terlebih dahulu, kemudian melalui proses screening (pemisahan). Setelah pemisahan, tahap ini dapat dilakukan lagi secara berulang untuk membangun senyawa analog (senyawa yang berbeda jenis tetapi serupa) lainnya.

Sementara itu, pada sintesis secara kombinatorial, yang berlangsung secara paralel, substrat bereaksi dengan sejumlah reaktan lainnya membentuk hasil reaksi sejumlah tertentu. Kumpulan ini kemudian melalui proses screening, pemisahan molekul-molekulnya, umumnya tanpa melalui proses pemurnian. Karakterisasi juga dilakukan, tetapi secara lebih minimum. Saringan yang digunakan untuk screening ini memiliki keluaran lebih besar daripada yang digunakan pada sintesis secara tradisional.

Seperti pada sintesis kombinatorial pada fase padat, sintesis larutan secara kombinatorial juga mempercepat pembentukan senyawa-senyawa baru. Terlihat dari gambar, bahwa pada saat yang bersamaan, dapat dihasilkan tiga macam hasil reaksi. Setelah terbentuknya hasil reaksi, karena yang bereaksi pada tahapan selanjutnya adalah kumpulan substrat, hasil reaksi pada tahap berikutnya juga meningkat jumlahnya secara eksponensial.

 

a.    Proses Sintesis Kombinatorial pada Fase Padat

            Sintesis     fase     padat     dianggap     sebagai    awal perkembangan   kimia   kombinatorial.   Hal  ini   telah berkontribusi  dalam  penemuan  bahan-bahan  baru  dibidang  obat-obatan,  katalisator (pemercepat  reaksi),atau   penemuan   bahan-bahan  alam.   Sintesis   ini merupakan   sintesis   organik  dengan   menggunakan bahan pendukung dalam wujud padat.

             Sintesis  kimia  secara  kombinatorial  pada fase  padat memanfaatkan  suatu  proses  yang dinamakan  sebagai sintesis    “campur    dan   pisahkan”.

b.     Proses Sintesis Kombinatorial dengan Larutan

Selain    sintesis    fase    padat,    ada    pula    sintesis kombinatorial  yang  dilakukan  pada  larutan.  Hal ini dilakukan  untuk  mengatasi  keterbatasan  pada sintesis fase   padat.   Proses  sintesis  secara tradisional  melibatkan  reaks isecara   bertahap.  Hasil   reaksi   dikarakterisasi   dan dimurnikan terlebih  dahulu,  kemudian  melalui  proses screening(pemisahan).  Setelah  pemisahan,  tahap ini   dapat   dilakukan   lagi   secara   berulang   untuk membangun  senyawa  analog  (senyawa  yang berbeda jenis tetapi serupa) lainnya.

Sementara   itu pada   sintesis   secara   kombinatorial yang   berlangsung   secara   paralel substrat   bereaksi dengan  sejumlah  reaktan  lainnya  membentuk  hasil reaksi   sejumlah   tertentu.   Kumpulan   ini  kemudian melalui    proses screening,    pemisahan   molekul-molekulnya,     umumnya     tanpa    melalui     proses pemurnian. Karakterisasi juga dilakukan tetapi secara lebih   minimum.   Saringan  yang   digunakan   untuk screening ini  memiliki keluaran  lebih  besar  daripada yang digunakan pada sintesis secara tradisional.

  
Aplikasi dan Perkembangan KimiaKombinatorial

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.

Penggunaan pemisahan secara maya memiliki beberapa keunggulan dibandingkan       dengan eksperimen secara langsung, antara lain:

1.  biaya   yang   lebih   rendah,   karena   tidak   perlu membeli senyawa uji

2. dimungkinkan   untuk   meneliti   senyawa   yang belum  pernah  disintesis  tanpa  harus  melakukan pengujian secara eksperimen langsung

Meskipun  pengujian  dapat  dilakukan  secara maya,tetap  dibutuhkan  eksperimen secara  nyata agar  suatu senyawa  hasil  uji  dapat  dimanfaatkan secara  nyata. Pengujian    secara    maya menggunakan simulasi komputer tetap   tidak   dapat  menggantikan   proses pengujian dengan eksperimen secara sepenuhnya.

Permasalahan :

1. Proses sintesis kombinatorial ada yang melalui fase padat, Bagaimana proses sintesis “campur dan pisahkan” yang dimanfaatkan pada kombinatorial pada fase padat? Apa saja komponen agar dapat berlangsungnya sintesis fasa padat tersebut? Dan Apa kekurangan dari Proses Sintesis Kombinatorial pada Fase Padat?

 

      2.    Bagaimana keuntungan atau kelebihan kombinatorial dengan larutan?

3.    Apa yang membedakan proses sintesis tradisional dan proses sintesis kimia kombinatorial? Aplikasi apa yang telah diterapkan dengan kimia kombinatorial dan proses kimia tradisional ?