PENDAHULUAN

Siklisasi sitronelal merupakan proses penting dalam industri untuk memperoleh produk derivat sitronelal yang berguna seperti mentol, isopulegil asetat, hidroksi sitronelal, dan asetal sitronelal. Peranan katalis diperlukan untuk mendapatkan produk dengan aktivitas dan stereoselektifitas tinggi. Asam Lewis ZnBr₂, AlCl₃, BF₃, dan SbCl₃

banyak digunakan dalam reaksi siklisasi sitronelal [1]. Katalis tersebut menghasilkan (-)-isopulegol mencapai 92% dan selektivitas terhadap (-)-isopulegol 94%. Penggunaan katalis homogen ini tidak ramah lingkungan, sehingga banyak dikembangkan katalis heterogen yang memiliki lebih banvak kelebihan. Kelebihan itu antara lain kemudahan katalis heterogen untuk dipisahkan dan digunakan kembali, dapat

Journal of Indonesia Zeolites

menurunkan biaya produksi, dan proses penggunaannya yang ramah lingkungan.

Beberapa katalis heterogen telah digunakan meningkatkan stereoselektivitas sintesis isopulegol dari sitronelal melakukan siklisasi sitronelal dengan zirconium hidroksida dan zirconia fosfat. Dalam penelitian lain [3] menyatakan katalis heterogen yang baik untuk siklisasi sitronelal memiliki keasaman Lewis kuat dan keasaman Brönsted lemah. Keasaman Lewis pada katalis heterogen diperoleh dari ion logam. sedangkan keasaman Brönsted diperoleh dari muatan parsial positif pada permukaan gugus Ravasio mengatakan (-)-isopuleaol stereoselektifitas terhadap berhubungan dengan situs asam Lewis. Al³⁺-Al₂O₃ memiliki situs asam Lewis yang lebih kuat daripada Ti⁴⁺- SiO₂-TiO₂ dan Zr⁴⁺- SiO₂-TiO₂ menunjukkan stereoselektifitas lebih tinggi. Tetapi dikatakan bahwa katalis yang miliki situs aktif Zn²⁺ merupakan katalis yang paling aktif dalam siklisasi (+)-sitronelal. Arvela [5] melakukan siklisasi (+)-sitronelal menjadi (-)-isopulegol menggunakan berbagai katalis berdasarkan parameter konsentrasi situs asam Brönsted dan situs asam Lewis serta porositas dari masing-masing katalis. Setelah dilakukan siklisasi selama 3 jam dihasilkan bahwa konversi (+)-sitronelal mengikuti urutan sebagai berikut: H-Beta-11 ≥ H-MCM-41 > H-ZSM-5> SiO₂. Tateiwa [6] melakukan reaksi intermolekular ena-karbonil antara α-metilstirena dengan paraformaldehida untuk menghasilkan homoalilik alkohol dengan menggunakan berbagai katalis asam Lewis teremban pada montmorillonit. Didapatkan bahwa efisensi Mn+-montmorillonit sebagai katalis ditinjau berdasarkan produk hasil yang terbentuk mengikuti urutan Zr⁴⁺-Mont, Fe³⁺-Mont, Al³⁺-Mont > \(Ce^{3+}\)-Mont, \(Zn^{2+}\)-Mont >> \(H^{+}\)-Mont, Na⁺-Mont.

Isopulegil asetat adalah senyawa fragrans dan perisa yang dapat disintesis melalui satu siklisasi-asetilasi yaitu sitronelal menjadi isopulegil asetat atau dua tahap yang meliputi reaksi siklisasi sitronelal menjadi isopulegol dan asetilasi isopulegol menjadi isopulegil asetat. Katalisis asam dalam esterifikasi asam karboksilat dan asilasi Friedel-Crafts sangat penting untuk sintesis dan preparasi senvawa antara dalam industri fragrans dan farmasi [7]. Asam kuat seperti H₂SO₄, HF, katalis asam Lewis teremban seperti AlCl₃/SiO₂ dan BF₃/SiO₂ telah biasa digunakan. Tetapi, penggunaan asam yang korosif berhubungan dengan sejumlah

masalah lingkungan [8,9] diantaranya adalah pengolahan limbah berbahaya dan beracun. Cahvono [10-13] telah meneliti penggunaan katalis asam Lewis (ZnCl₂ dan FeCl₃) dan zeolit alam termodifikasi (H-Za, Zn²⁺-Za, dan Fe^3+-Za) untuk reaksi siklisasi asetilasi (R)-(+)-sitronelal dari minyak sereh. Produk utama reaksi ini adalah campuran isopulegil asetat (IPA) dan neoisopulegil asetat (NIPA) Diketahui Zn²⁺-Za memiliki aktifitas dan selektifitas cukup tinggi. Untuk menjelaskan mekanisme katalitik reaksi siklisasi asetilasi sitronelal dengan katalis Zn²⁺-Za diperlukan kajian kinetika dengan pereaksi cair pada permukaan katalis padat.

Derouane menyatakan pengaruh konsentrasi pada zeolit telah dipelajari sejak akhir 1970 Rabo dan Poustma, dan sifat zeolit sebagai pelarut padat juga dipelajari lebih mendalam oleh Rabo dan Gadja pada tahun 1980. Menurut Derouane [13] model mekanisme Langmuir-Hinshelwood dapat digunakan untuk mengkuantifikasi kinetika reaksi baik reaktan maupun produk yang bersaing memperebutkan situs aktif pada volume intrakristalin, disarankan pendekatan kinetika menggunakan model ini untuk menggambarkan reaksi organik terkatalisis zeolit pada fasa cair. Laju awal, konstanta laju dan konstanta adsorpsi relatif produk maupun reaktan dibawah keadaan dinamik. Tulisan ini membahas kajian kinetika transformasi satu tahap (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat menggunakan katalis Zn²⁺-Za.

Analog dengan persamaan laju reaksi vang diusulkan oleh Deraoune [14] maka laju reaksi siklisasi-asetilasi didefinisikan jumlah molar total produk reaksi yang terbentuk permenit dan pergram katalis yang dirumuskan sebagai berikut:

\[R = \frac{k \kappa_{SIT} \kappa_{AA}[SIT][AA]}{\left(1 + \kappa_{SIT}[SIT] + \kappa_{AA}[AA] + \kappa_{p}[P]\right)^{2}}\]

[SIT], [AA] dan [P] berturut turut adalah konsentrasi sitronelal, konsentrasi anhidrida asam asetat, dan konsentrasi produk dalam reaksi siklisasi-asetilasi. k adalah konstanta laju reaksi dan KSIT, KAA, dan Kp berturutturut merupakan konstanta adsorpsi dari sitronelal, anhidrida asam asetat, dan produk. Dengan persamaan tersebut dicari harga laju reaksi (R) tetapan laju (k) dan perbandingan tetapan adsorpsi sitronelal dan anhidrida asam asetat (KSIT/KAA).

METODE PENELITIAN

Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: minyak sereh, zeolit alam Malang, ZnCl2 (E-Merck), HF (E-Merck), HCl (E-Merck), NH4Cl (E-Merck), anhidrida asam asetat (E-Merck), n-heksana (E-Merck), piridin (E-Merck), AgNO3( E-Merck), natrium sulfat anhidrat, dan gas N2.

Alat Penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: seperangkat alat distilasi fraksinasi pengurangan tekanan, kolom gelas kalsinasi (desain Muchalal), pompa vakum (desain Muchalal), vacuum rotavapor Buchii, seperangkat alat refluks, kromatografi gas (GC) Hewlett Packard 5890 Series II, kromatografi gas-spektrometer massa (GC-MS) Shimadzu QP 5000, spektrometer IR Shimadzu FTIR 8201 PC, spektrometer 1H NMR JNM PMX 50 NMR, dan alat-alat gelas. Untuk analisis enentiomer sitronelal digunakan kolom kiral β-DEX 225 (Supelco).

Isolasi (R)-(+)-sitronelal

Sitronelal diisolasi dari 250 mL minyak sereh dengan distilasi fraksinasi pengurangan tekanan (5 cmHg). Redistilasi fraksi 2 dilakukan untuk meningkatkan kadar sitronelal. Kolom kiral GC β-DEX 225 (Supelco) digunakan untuk menentukan rasio enantiomer sitronelal. Identifiasi struktur sitronelal dilakukan dengan GC-MS, IR, and 1H NMR.

Preparasi katalis Zn2+-Za

Katalis Zn2+-Za dibuat melalui aktivasi asam terhadap zeolit alam Malang dengan HF 1% dan HCl 6M, diikuti pertukaran ion dengan NH4Cl 3M dan kalsinasi pada 450 ^oC selama

1 jam dengan aliran gas N2. Hasil perlakuan ini disebut H-Za. H-Za dimodifikasi menjadi Zn2+-Za melalui pertukaran kation dengan ZnCl2 0,1 M.

Reaksi Siklisasi-Asetilasi (R)-(+)-Sitronelal dengan Anhidrida Asam Asetat Terkatalis Zn2+-Za

Reaksi siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dilakukan dengan merefluks 7,1 mL (R)-(+) sitronelal, 7,0 mL anhidrida asam asetat dan 1 gram katalis dalam labu alas bulat dengan pengadukan pada 80 ^oC. Selama reaksi berlangsung diambil sampel masing-masing sebanyak 1 mL pada menit ke 30; 60; 120; 180 kemudian ditambahkan 9 mL campuran n-heksana-air (1:2) dan dipisahkan dengan centrifuge. Fraksi organik diuapkan pelarutnya dan dianalisis dengan GC. Analisis struktur produk reaksi dilakukan dengan GC-MS, FTIR, dan 1H-NMR.

Analisis Kinetika Reaksi

Untuk memperoleh data kinetika, dilakukan reaksi dengan varisasi rasio molar sitronelal/anhidrida asam asetat (SIT/AA) dengan rancangan pada Tabel 1.

Laju reaksi (R) didefinisikan sebagai jumlah produk (mmol) baik isopulegil asetat (IPA) dan neoisopulegil asetat (NIPA) yang dihasilkan per menit dan per gram katalis. Kemudian dibuat grafik {1/R x [SIT]/[AA]} vs [SIT]/[AA] pada waktu reaksi t yang sama. Persamaan kuadrat yang dihasilkan dan harus memenuhi persamaan 2(ac)1/2 / b = 1. Dalam penentuan konstanta laju reaksi digunakan persamaan k = 2/b atau k = (ac) - 1/2. Sedangkan dalam penentuan nilai perbandingan konstanta adsorbsi kesetimbangan sitronelal dengan anhidrida asam asetat digunakan persamaan KSIT/KAA = 2a / b.

Tabel 1. Parameter eksperimen reaksi siklisasi-asetilasi sitronelal dengan anhidrida asam asetat menggunakan katalis Zn2+-Za

HASIL DAN PEMBAHASAN

Distilasi fraksinasi 250 mL minyak sereh diperoleh 18,0 mL fraksi I (80-110 °C) dan 99.5 mL fraksi II (110-120 °C). Redistilasi fraksi II diperoleh 68,0 mL distilat dengan kadar sitronelal 97.30%. Analisis struktur sitronelal dengan spektrofotometer FTIR menunjukkan spektrum dengan vmax: 1724,2 (s, C=O aldehida), 2870,08 danand 2715,77 (w, C-H aldehida), 2924,09 (s, C-H sp3), 1643,35 (w, C=C), 1450,47 (m, -CH2-), 1381,03 (m, -CH3) cm-1. Spektrum 1H-NMR sitronelal menunjukkan kelompok puncak A \((\delta=9.75 \text{ ppm. t. 1H. proton aldehida})\), puncak B (\(\delta\)=5.08 ppm, t. 1H. proton C=C olefin). puncak C (\(\delta\)=2,36 ppm, t, 1H, H\(\alpha\)), puncak D (δ=1,88-2,30 ppm, m, 2H, -CH2- terikat pada C=C olefin), puncak E (\(\delta\)=1,68 ppm, s, 6H, proton isopropilidena =C(CH3)2), puncak F \((\delta=1,32 \text{ ppm, m, 1H, proton C kiral), dan}\)puncak G (\(\delta\)=1,06 ppm, d, proton -CH3). Hasil analisis GC dengan kolom kiral β-DEX 225 menunjukkan sitronelal hasil isolasi mengandung enantiomer (R)-(+)-sitronelal 88.21% ee.

Hasil siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat dikatalisis Zn²⁺-Za disajikan pada Tabel 2.

Peningkatan rasio molar SIT/AA menunjukkan penurunan konversi (R)-(+)-sitronelal dan yield IPA dan NIPA total (Gambar 1). Stereoselektifitas relatif tetap oleh perubahan rasio molar SIT/AA. Anhidrida asam asetat dengan katalis membentuk ion asetil, berkurangnya anhidrida asam asetat (rasio SIT/AA meningkat) menurunkan konsentrasi ion asetil sehingga laju reaksi berkurang (Gambar 2).

Perhitungan konstanta laju reaksi dan perbandingan konstanta kesetimbangan adsorpsi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat pada permukaan katalis Zn2+digunakan persamaan menaikuti Langmuir-Hinshelwood. Untuk itu berlaku asumsi: 1) situs aktif pada permukaan katalis seragam dan memiliki tingkat energi yang sama, 2) maksimum hanya satu molekul reaktan yang dapat teradsorpsi pada situs 3) molekul-molekul reaktan yang teradsorpsi berkompetisi untuk mendapatkan situs aktif. dan 4) reaksi antara (R)-(+)sitronelal dengan anhidrida asam asetat teriadi setelah kedua reaktan teradsorp pada permukaan katalis.

Tabel 2. Konversi, yield IPA dan NIPA total, dan stereoselektivitas reaksi siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat pada berbagai perbandingan molar SIT/AA dikatalisis Zn²⁺-Za

Gambar 1. Hubungan Yield IPA-NIPA total (%) terhadap durasi reaksi sebagai fungsi dari perbandingan molar SIT/AA pada reaksi siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal menggunakana katalis Zn²⁺-Za

Berdasar data laju reaksi yang diperoleh didapatkan persamaan kuadrat dengan membuat grafik (1/R) ([SIT]/[AA]) vs [SIT]/[AA]. Persamaan kuadrat yang diperoleh disajikan pada Tabel 3.

Persamaan kuadrat pada Tabel 3 dapat dipergunakan dalam penentuan konstanta laju reaksi (kSIT/AA) dan perbandingan kesetimbangan konstanta adsorpsi (KSIT/KAA, jika memenuhi persyaratan 2(a.c)1/2/b sama atau mendekati 1. Berdasar syarat tersebut, dipilih data laju dengan persamaan kuadrat pada durasi reaksi 30 menit (nilai 2(a.c)1/2/b = 1.54). Konstanta laju ditentukan menggunakan rumus kSIT/AA = (2/b) atau kSIT/AA = (a.c)-1/2. Nilai kSIT/AA =(2/b) adalah 47,619 mmol (menit. gram katalis)^-1, sedangkan nilai kSIT/AA = (a.c)-1/2adalah 30.964 mmol (menit. gram katalis)^-1. Nilai perbandingan konstanta kesetimbangan adsorpsi KSIT/KAA = (2a/b) adalah 7,09.

Berdasarkan perhitungan diketahui bahwa konstanta laju reaksi siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat menggunakan katalis Zn²⁺-Za pada waktu reaksi 30 menit dan temperatur reaksi 80 oC adalah 30,964 – 47,619 mmol (menit.gram

katalis)-1. Nilai KSIT/KAA adalah 7,09 menunjukkan bahwa adsorpsi (R)-(+)-sitronelal pada katalis Zn²⁺-Za lebih kuat daripada adsorpsi anhidrida asam asetat. Adanya gugus karbonil dan ikatan rangkap C=C pada molekul sitronelal diduga menjadi salah satu faktor kuatnya adsorpsi substrat pada permukaan katalis.

Perbedaan kuat adsorpsi tidak hanya dientukan oleh polaritas pereaksi, tetapi juga ukuran pori dan polaritas katalis. Peningkatan fraksi sitronelal pada permukaan katalis menghalangi adsorpsi anhidrida asam asetat, pada jumlah yang berlebihan bahkan dapat menutup pori.

Analog dengan mekanisme yang diusulkan oleh Deraoune pada reaksi astilasi anisol ^[14], tahap penentu laju adalah pembentukan kompleks asetil-sitronelal. Menurut Freese dan Smith ^[15,16] kation asil dihasilkan dari pereaksi pengasilasi dengan zeolit diusulkan menjadi spesies kritis yang bereaksi dengan substrat teradsorp, sehingga reaksi substrat dengan kompleks asil-zeolit menjadi tahap penentu laju. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar jumlah ion asetil yang bereaksi dengan (R)-(+)-sitronelal (SIT/AA

Gambar 2. Laju reaksi (mmol IPA dan NIPA Total (min. g katalis)-1) Vs Perbandingan molar (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat menggunakan katalis Zn²⁺-Za

Tabel 3. Hasil analisis (1/R) ([SIT]/[AA]) vs [SIT]/[AA] tiap durasi waktu reaksi siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat menggunakan katalis \(Zn^{2+}\)-Za

Journal of Indonesia Zeolites

Gambar 3. Usulan mekanisme siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat terkatalis Zn2+-Za

makin kecil), maka produk reaksi meningkat. Reaksi terkatalis zeolit pada fasa cair tidak hanya tergantung pada rasio reaktan, tetapi juga ukuran pori dan polaritas zeolit. Karena katalis yang digunakan sama, maka usulan mekanisme siklisasi-asetilasi (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat terkatalisis Zn2+-Za disajikan pada Gambar 3.

KESIMPULAN

Kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian ini adalah:

• 1. Produk utama siklisasi-asetilasi satu tahap (R)-(+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat dikatalis Zn2+-Za adalah IPA dan NIPA.
• 2. Analisis kinetika siklisasi-asetilasi (R)- (+)-sitronelal dengan anhidrida asam asetat dikatalis Zn2+-Za dengan model meanisme Langmuir-Hinshelwood diperoleh nilai konstanta laju k = 47,619 mmol (menit. gram katalis)-1, nilai kSIT/AA = 30,964 mmol (menit. gram katalis)-1, dan nilai perbandingan konstanta kesetimbangan adsorpsi KSIT/KAA = 7,09.
• 3. Kuat adsorbsi sitronelal lebih kuat dari anhidrida asam asetat pada permukaan katalis, jumlah berlebihan sitronelal akan menghambat laju siklisasi-asetilasi sitronelal.

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih disampaikan kepada LPPM UGM atas pendanaan Hibah untuk Mahasiswa Program Doktor tahun 2009, dan Ass. Prof. Chuah Gaik Khuan atas kesempatan untuk menggunakan GC kolom kiral di Catalysis Laboratory NUS-Singapura, dan Sagita Fapril Widiarto atas kerjasamanya dalam eksperimen di Laboratorium Kimia Organik UGM.

DAFTAR PUSTAKA

• 1. Andrade, C. K. Z., Vercillo, O. E., Rodrigues, O. E., and Silviera, D. P., 2004, J.Braz. Chem. Coc., 15, 6: 813- 817
• 2. Chuah, G.K., Liu, S.H., Jaenicke, S, and Harrison, L.J., 2001, J. Cat., 200, 352- 359.
• 3. Chuah, G., K., Nie, Y., and Jaenicke, S., 2006, Chem. Commun., 790–792
• 4. Ravasio, N., Antenori, M., Babudri, F., Gargano, M., 1997, Stud. Surf. Sci. Catal. 108, 625
• 5. Arvela, M, Narendra, K., Ville, N., Rainer, S., Tapio, S, Yu, MD, 2004, J. Catal. 225: 155-169.

• 6. Tateiwa, J., Kimura, A., Takasuka, M., and Uemura, A., 1997, J.Chem. Soc., Perkin Trans.1, 2169-2174
• 7. Alvaro, M., Corma, A, Das, D., Fornés, F., and García, H., 2005, J. Catal 231: 48–55.
• 8. R.A. Sheldon, 1997, Chem. Ind.,12.
• 9. R.A. Sheldon, H. Van Bekkum, 2000. Fine Chemicals through Heterogeneous Catalysis, Wiley–VCH, Weinheim.
• 10. Cahyono, Edy, 2004. Mekanisme Reaksi Siklisasi Aromatisasi Sitronelal dari Minyak Sereh dengan Katalis Asam Lewis dalam Anhidrida Asetat, Laporan Penelitian Dasar. Dikti. LEMLIT–UNNES Semarang.
• 11. Cahyono, Edy, Muchalal; Triyono; Pranowo, Harno Dwi, 2009, Analysis of the Enantiomers Ratio of Citronellal Using Enantioselective Gas Chromatography, Proceedings of International Conferences on Chemical Sciences 2009 (ICCS'09), Chemistry

• Department-Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
• 12. Cahyono, Edy; Muchalal; Triyono; Pranowo, Harno Dwi, 2009, Cyclisationacetylation of R(+)-Citronellal by Modified Natural Zeolite Catalysts, Proceeding of International Seminar ICORAFSS II, UTM, Johor Bahru.
• 13. Cahyono, Edy; Kadarwati, Sri, 2007. The Selectivity of Lewis Acid in the Cyclisation-Acetylation of Citronellal, Proceedings of International Conferences on Chemical Sciences 2007 (ICCS'07), Chemistry Department-Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
• 14. Derouane, E. G., Crehan, G., Dillon, C. J., Bethell, H., He, H., and Derouane-And Hamid, S. B., 2000, Zeolite Catalyst as Solid Solvent in Fine Chemical Synthesis, Journal of Catalyst., 410
• 15. Freese, U., Heinrich F., , dan Roessner, F., 1999, Catal Today 49, 237.
• 16. Smith, K., Zenhua, Z., dan Hodgson, P.K.G., 1998, J. Mol. Cat. A 134, 121.