ABSTRAK
PENGARUH PENAMBAHAN SENYAWA NUKLEOFILIK PADA
PENENTUAN REAKTIVITAS KIMIA SENYAWA KLORAMBUSIL
DAN MEKLORETAMIN SECARA VOLTAMMETRI SIKLIK
DALAM BEBERAPA PELARUT
Oleh
Henry Setiyanto
NIM : 30506301
Senyawa-senyawa pengalkil biasanya banyak digunakan dalam kemoterapi kanker karena
reaktivitasnya dalam menghentikan pertumbuhan sel kanker dengan langsung bereaksi ke
pusat-pusat nukleofil dari basa DNA. Senyawa pengalkil menyerang target secara tidak
selektif, oleh karena itu dapat menyerang sel-sel yang sehat sehingga dapat menimbulkan
kanker sekunder. Kajian yang telah dilakukan oleh badan dunia International Agency for
Research on Cancer (IARC) menyimpulkan bahwa timbulnya kanker sekunder
disebabkan terapi penyakit kanker pada pasien menggunakan senyawa-senyawa pengalkil.
Oleh karena sifat bahaya dalam membentuk kanker sekunder dari senyawa-senyawa
pengalkil ini, kami mengembangkan metode pengukuran reaktivitas kimia untuk senyawa
klorambusil (CLB) dan mekloretamin (MEC) di dalam beberapa pelarut dengan dan
tanpa penambahan senyawa nukleofil lain. Reaksi alkilasi dari kedua senyawa pengalkil
mengikuti mekanisme reaksi SN1 dan ErCi. Reaksi tersebut berlangsung mengikuti dua
tahapan reaksi, (1) pembentukan zat antara (karbokation) yang bersifat elektrofil, reaksi
ini berlangsung lambat dan (2) reaksi kimia antara karbokation dengan senyawa nukleofil
yang berlangsung cepat. Senyawa pengalkil akan dielektro oksidasi-reduksi untuk
membentuk senyawa karbokation dengan reaksi elektrokimia reversibel kemudian
senyawa karbokation bereaksi dengan senyawa nukleofil dengan reaksi kimia irreversibel.
Reaktivitas kimia ditentukan berdasarkan nilai dari tetapan laju reaksi maju (kf) pada
reaksi tahap kedua.
Reaktivitas kimia senyawa CLB dan MEC dihitung dari data parameter elektrokimia
voltammogram siklik yang diukur di dalam pelarut-pelarut yang mengandung natrium
perklorat 0,1 M dan 0,2 M. Pendekatan metode Nicholson-Shain digunakan untuk
menghitung reaktivitas kimia berdasarkan parameter-parameter kedua senyawa pengalkil.
Hal yang sama dilakukan pada penambahan senyawa-senyawa nukleofil lain ke dalam
larutan senyawa pengalkil yang diukur. Pelarut yang digunakan antara lain air, aseton dan
asetonitril, sedangkan senyawa nukleofilik yang ditambahkan antara lain 4-kloro
butironitril (CBN), piridin (Py) dan nikotinamide adenin dinukleotida (NAD+).
iii
Parameter-parameter elektrokimia yang diperoleh dari voltammogram siklik antara lain
potensial dan arus puncak anoda serta potensial dan arus puncak katoda. Tetapan laju
reaksi maju dapat ditentukan dengan metode kompetitif pada berbagai laju selusur
potensial.
Profil voltammogram siklik yang dihasilkan senyawa klorambusil dan mekloretamin
menunjukkan karakterisasi reaksi elektrokimia reversibel diikuti oleh reaksi kimia
irreversibel. Seluruh voltammogram yang dihasilkan dikarakterisasi dari nilai potensial
puncak anoda (Epa) dan potensial puncak katoda (Epc) serta arus puncak anoda (Ipa) dan
arus puncak katoda (Ipc), potensial setengah gelombang (E1/2) dan potensial pemisahan
puncak (∆Ep). Daerah potensial kerja yang didapat dalam penelitian ini adalah (0,5 – 1,2)
V untuk CLB dalam air; (0,8 – 1,5) V untuk CLB dalam aseton dan asetonitril; dan (0,8 –
1,7) V untuk MEC dalam pelarut aseton dan asetonitril. Nilai Ipa dan Ipc menunjukkan
hubungan yang linier dengan v1/2 dengan rata-rata nilai koefisien korelasi yang tinggi
yaitu di atas 90% (R2 > 0,90). Hal tersebut memberikan arti bahwa sistem dari senyawa
pengalkil yang diteliti mengikuti persamaaan dari Randles-Sevcik. Selain itu, hal-hal
tersebut di atas juga menunjukkan bahwa proses yang berlangsung di permukaan
elektroda kerja adalah proses difusi. Hasil perbandingan nilai-nilai dari Ipc/Ipa rata-rata
kurang dari 1, menunjukkan bahwa mekanisme reaksi mengikuti reaksi elektrokimia
reversibel diikuti dengan reaksi kimia irreversibel.
Pada laju selusur potensial 1 V/s didapat nilai Epa dan Epc secara berurutan 0,896 V dan
0,788 V ; 1,240 V dan 1,160 V ; 1,130 V dan 1,070 V untuk CLB di dalam air, aseton
dan asetonitril. Sedangkan untuk MEC, secara berurutan 1,480 V dan 1,200 V ; 1,460 V
dan 1,200 V di dalam pelarut aseton dan asetonitril. Senyawa MEC bukan merupakan
senyawa elektroaktif dalam pelarut air karena tidak memberikan arus puncak oksidasi
maupun arus puncak reduksi pada voltammogram yang dihasilkan. Penambahan senyawa
nukleofilik menggeser potensial puncak oksidasi-reduksi tetapi relatif tidak mengubah
daerah potensial kerjanya. Hasil-hasil ini memberikan pemahaman bahwa penggunaan
pelarut yang berbeda akan mempengaruhi potensial oksidasi-reduksi dari senyawa CLB
dan MEC.
Reaktivitas kimia yang dihitung berdasarkan metode Nicholson-Shain menunjukkan
kebergantungannya terhadap sifat dari pelarut. Dari penelitian ini diperoleh nilai-nilai
reaktivitas kimia untuk senyawa CLB di dalam pelarut air, aseton dan asetonitril secara
berturut-turut adalah 0,4485 s-1; 0,2248 s-1 dan 0,0245 s-1. Sedangkan untuk MEC nilai
masing-masing adalah 0,4828 s-1 dan 0,2724 s-1 dalam aseton dan asetonitril. Pelarut
dengan bilangan donor yang lebih besar seperti air, akan memberikan nilai reaktivitas
kimia yang lebih besar untuk senyawa CLB dan MEC. Penambahan senyawa nukleofilik
CBN, Py dan NAD+ mengubah nilai-nilai reaktivitas senyawa CLB dan MEC, akan tetapi
tidak mengubah urutan reaktivitasnya dalam pelarut-pelarut yang digunakan. Nilai-nilai
reaktivitas senyawa CLB dalam pelarut air, aseton dan asetonitril setelah penambahan
senyawa nukleofilik CBN secara berturut-turut adalah 0,4897 s-1; 0,2715 s-1 dan 0,2676
s-1, setelah penambahan senyawa nukleofilik Py 0,0993 s-1; 0,0541 s-1 dan 0,0077 s-1,
setelah penambahan senyawa nukleofilik NAD+ 0,0248 s-1; 0,1773 s-1 dan 0,0868 s-1.
Sedangkan untuk MEC nilai reaktivitas kimia di dalam pelarut aseton dan asetonitril
iv
secara berturut-turut setelah penambahan senyawa nukleofilik CBN 0,1601 s-1 dan
0,1365 s-1), setelah penambahan senyawa nukleofilik Py 0,2056 s-1 dan 0,1799 s-1, dan
setelah penambahan senyawa nukleofilik NAD+ 0,4323 s-1 dan 0,0398 s-1. Senyawa MEC
dalam air tidak dapat dihitung nilai reaktivitas kimianya karena tidak bersifat elektroaktif.
Data reaktivitas senyawa dan CLB dan MEC sesuai dengan data klinisnya yaitu LD50.
Reaktivitas-reaktivitas yang diperoleh dalam penelitian ini berkorelasi dengan data klinis
senyawa CLB dan MEC sehingga metode ini layak dipertimbangkan untuk digunakan
dalam menghitung nilai reaktivitas kimia.
Kata kunci: Reaktivitas kimia, senyawa pengalkil, voltammetri siklik, nukleofilik
v
ABSTRACT
EFFECT OF NUCLEOPHILIC AGENT ON THE CHEMICAL REACTIVITIES
OF CHLORAMBUCIL AND MECHLORETHAMINE BY CYCLIC
VOLTAMMETRIC IN SEVERAL SOLVENTS STUDIED
By
Henry Setiyanto
NIM : 30506301
Alkylating agents is typically used in the cancer chemotherapy due to reactivity in
eradicating the growth of the cancer cell by directly reacting to the nucleophile center of
DNA bases. Alkylating agents attack to non-selective targets, which implicated to attack
healthy cells as well that may possibly inducing unexpected secondary cancers. Surveyes
conducted by the International Agency for Research on Cancer (IARC) concluded that
the secondary cancers cases is strongly caused the application of alkylating agents during
the chemotheraphic treatment of the patients.
Due to the potential hazzardous of the alkylating agents in causing the secondary cancer,
in the presence work we developed a method to determined the chemical reactivity of
alkylating drugs, i.e. chlorambucil (CLB) and mechlorethamine (MEC) in various
solvents in the presence and the absent of additional nucleophile substances using cyclic
voltammetric technique. Alkylation reactions of both drugs follow the mechanism of SN1
reaction and ErCi. The reaction take place in the following two-steps of reactions, namely
(1) the formation of intermediates i.e. carbocations, whose reaction occurs slowly and (2)
the fast reaction between the carbocation and the nucleophile. Alkylating agents will be
reversibly electro–oxidized/reduced to form a carbocation compound then it irreversibly
reacts with the nucleophile substance. Chemical reactivity was determined based on the
value of the forward reaction rate constant (kf) on the second step of reactions.
The chemical reactivity of CLB and MEC was calculated from the electrochemical
parameters derived from their cyclic voltammogram measured in the solvents containing
0.1 M and 0.2 M sodium perchlorate. Nicholson-Shain approach has been applied to
calculate the chemical reactivity based on the derived parameters of both alkylating
agents. The same measurement procedure was employed when additional nucleophile
substance was included into the solution of the alkylating agent. Solvents used to dissolve
both alkylating agents were included water, acetone and acetonitrile, while 4-chloro
butironitril (CBN), pyridine (Py) and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) were
added as the additional nucleophile substances. The important electrochemical
parameters obtained from the cyclic voltammogram are an anodic and a cathodic peak’s
currents (potentials). The rate constant of each forward reaction was determined with the
competitive methods at different potential scan rates.
vi
The profile deduced from the voltammogram of CLB and MEC exhibited typical
characteristics of the reversible electrochemical reaction followed by the irreversible
chemical reaction. All voltammograms were characterized based on the respective
parameters: anode peak’s potentials (Epa), cathode peak’s potential (Epc), both anode
peak’s current (Ipa) and cathode peak’s current (Ipc), half-wave potential (E1/2) and peak’s
potential separation (ΔEp .) The range of working potential obtained from this study were
0.5 to 1.2 V for CLB in water; 0.8 to 1.5 V for CLB in acetone and acetonitrile, and 0.8 to
1.7 V for MEC in acetone and acetonitrile. The values of Ipa and Ipc were liniearly
correlated with v1/2 as indicated by the high average correlation coefficient i.e. 90% (R2>
0.90). Such liniear correlation strongly suggested that the system being studied obeyed
Randles-Sevcik equation. In addition those parameters showed that the processes
occurred on the surface of working electrode were diffusion-controlled. The average ratio
of Ipc/Ipa was less than one, which conlude the reaction mechanism should be the
reversible electrochemical reaction followed by irreversible chemical reaction.
At the potential scan rate of 1 V/s, the obtained pairs potentials of Epa and Epc for CLB
were 0896 V and 0.788 V ; 1.240 V and 1.160 ; 1.130 V and 1.070 V in water, acetone
and acetonitrile, respectively. At the same scan rate, the resulting pairs potential of MEC
were 1.200 V and 1.480 V ; 1.460 V and 1.200 V in acetone and acetonitrile, respectively.
MEC was apparently not electroactive in water because its peak’s current of oxidation
and reduction were hardly observed from its voltammogram. The addition of nucleophilic
substance shifts the peaks’s of oxidation-reduction potential but did not alter the range of
working potential . These results, therefore, gave insight into the effect of solvents
variation to the oxidation-reduction potential of CLB and MEC.
The calculated chemical reactivity based on the Nicholson-Shain method exhibited the
dependency to the solvent property. The calculated chemical reactivity of CLB in three
different solvents was 0.4485 s-1, 0.2248 s-1; 0.0245 s-1 in water, acetone, and acetonitrile,
respectively. Whereas for MEC, its respective value were 0,4828 s-1 and 0.2724 s-1 in
acetone and acetonitrile. Solvents with a larger donors number, i.e. water will provide a
greater chemical reactivity for CLB and MEC. The addition of nucleophilic compounds
i.e. CBN, Py and NAD+ changed the values of reactivities of CLB and MEC, but did not
change the reactivities order of the solvents used. The respective reactivity value of CLB
in in water, acetone and acetonitrile after the addition of CBN are 0.4897 s-1, 0.2715 s-1,
and 0.2676 s-1; when after the addition of Py the value became: 0.0993 s-1, 0.0541 s-1, and
0.0077 s-1, while after the addition of NAD+ became 0.0248 s-1, 0.1773 s-1, 0.0868 s-1. In
case for MEC, the reactivity value in the solvent of acetone and acetonitrile, in the
presence of CBN are 0.1601 s-1 and 0.1365 s-1, respectively. While in the presence of Py
and NAD+, its respective value became 0.2056 s-1 ; 0.1799 s-1 and 0.4323 s-1 ; 0.0398 s-1.
The reactivity of MEC in water can not be calculated because this molecule is not
electroactive in the water. The reactivities data of CLB and MEC in accordance with
clinical data that is LD50. The reactivities obtained in this exhibited strong correlation
with the clinical data of CLB and MEC so that the method developed here is worth to be
considered to be applied in estimating the chemical reactivity of cancer related drugs.
Keywords: chemical reactivity, alkylating agents, cyclic voltammetry, nucleophilic
vii