Jepang Membuat Terobosan dalam Sintesis Kimia

Sekolahnews – Para peneliti telah memelopori metode untuk secara efisien mensintesis ikatan kimia penting langsung dari nitrogen atmosfer, sumber daya yang ada di mana-mana dan tersedia secara bebas. Terobosan ini menggunakan titanium polihidrida untuk mengaktifkan sumber nitrogen dan karbon dalam kondisi sedang, melewati langkah-langkah yang membutuhkan banyak energi dari proses Haber-Bosch tradisional. Pendekatan inovatif ini dapat meningkatkan produksi polimer dan obat-obatan secara signifikan.
Ahli kimia di RIKEN telah menunjukkan bahwa ikatan kimia yang penting dapat dibentuk menggunakan dinitrogen (N 2 )—molekul yang tersedia bebas di udara sekitar kita. Terobosan ini dapat membuat sintesis senyawa penting dalam industri seperti polimer dan obat-obatan menjadi jauh lebih hemat energi.
Dinitrogen ada di mana-mana, hampir 80% dari udara yang kita hirup. Namun, meskipun dinitrogen tersedia dalam jumlah besar, sulit untuk menggunakannya secara langsung dalam reaksi kimia. Hal ini disebabkan ikatan rangkap tiga yang kuat pada molekul tersebut perlu diputus.

Titanium polihidrida (tengah) secara langsung mengubah dinitrogen dan alkena sederhana (kiri) menjadi alkil amina (kanan). Kredit: Takanori Shima
Untuk aplikasi seperti sintesis alkil amina untuk pembuatan obat dan polimer, dinitrogen terlebih dahulu dipecah menjadi dua untuk menghasilkan amonia, dalam langkah tambahan yang disebut proses Haber–Bosch. Komponen alkena yang mudah diakses juga harus diaktifkan terlebih dahulu dengan mengubahnya menjadi alkohol atau asam karboksilat . Langkah-langkah tambahan ini menambah waktu dan inefisiensi pada proses tersebut.
Mereka memiliki kelemahan lain. “Mensintesis sumber nitrogen dan karbon ini juga menghabiskan banyak energi,” kata Takanori Shima dari RIKEN Center for Sustainable Resource Science.
Para peneliti tengah mencari alternatif yang lebih baik untuk pendekatan ini. “Akan lebih baik untuk langsung menggunakan dinitrogen dan alkena untuk mensintesis alkil amina dalam kondisi yang ringan,” imbuhnya. “Namun, reaksi seperti itu belum diketahui dan diperkirakan akan sangat menantang.”
Sebelumnya, Shima dan kolaboratornya telah menemukan cara untuk mengatasi tantangan ini menggunakan titanium polihidrida, yang merupakan kompleks kimia atom titanium yang dijembatani oleh atom hidrogen.
“Kami menemukan bahwa titanium polihidrida menunjukkan reaktivitas yang sangat tinggi terhadap molekul kecil yang stabil seperti dinitrogen dan benzena,” kata Shima.

Takanori Shima (tengah kanan) dan timnya telah menemukan bahwa unit titanium–hidrida dalam titanium polihidrida dapat bekerja sama untuk menghasilkan alkil amina dari dinitrogen dan alkena. Proses ini dapat membuat sintesis senyawa penting dalam industri menjadi jauh lebih hemat energi. Kredit: RIKEN 2024
“Ketika kami mereaksikan alkena dengan titanium polihidrida, alkena tersebut teraktivasi—tetapi banyak unit titanium–hidrida yang tersisa setelah reaksi,” kata Shima.
Ketika tim tersebut kemudian menambahkan dinitrogen, unit titanium–hidrida bebas secara kooperatif membelah molekul dinitrogen, dan kemudian menyatukan karbon aktif dan spesies nitrogen melalui ikatan nitrogen–karbon baru, menghasilkan alkil amina.
Analisis komputasional mengungkapkan bahwa kunci reaksi adalah bahwa setelah mengaktifkan kedua substrat, pembentukan ikatan nitrogen–karbon terjadi secara selektif dalam kerangka titanium polihidrida. Hal ini karena pembentukan ikatan nitrogen–karbon jauh lebih menguntungkan secara energetik daripada jalur lain yang mungkin, seperti pembentukan ikatan nitrogen–hidrogen atau karbon-hidrogen.
Shima dan timnya kini tengah menjajaki cara untuk mengubah transformasi ini menjadi proses katalitik.
Referensi: “Hidroaminasi alkena dengan dinitrogen dan titanium polihidrida” oleh Takanori Shima, Qingde Zhuo, Xiaoxi Zhou, Ping Wu, Ryota Owada, Gen Luo dan Zhaomin Hou, 17 Juni 2024, Nature