Sebuah kerjasama penelitian antara para peneliti dari Swiss dan Inggris terbentuk setelah mereka mengamati bahwa reaktor yang dikembangkan di Universitas Cardiff, yang telah berhasil diimplementasikan dalam skala industri untuk penelitian kimia radikal, memiliki potensi untuk diaplikasikan dalam penelitian elektrokatalisis anion-π yang dilakukan oleh Universitas Geneva. Hasil penelitian ini diterbitkan di jurnal Science Advanced.
Reaktor ini terdiri dari dua elektroda logam dengan panjang 5 cm yang dilapisi dengan carbon nanotubes. Carbon nanotubes memiliki polaritas dan konduktivitas yang sangat penting, karena material tersebut menghasilkan dipol yang kuat yang dapat menstabilkan keadaan transisi ionik dalam reaksi. Penting untuk dicatat bahwa polaritas merujuk pada kemampuan suatu molekul atau material untuk membentuk dipol dalam suatu medan listrik eksternal. Konduktivitas, di sisi lain, merujuk pada kemampuan bahan untuk menghantarkan listrik.
Plat elektroda tersebut dipisahkan oleh lapisan tipis foil etilen propilena fluorida sebanyak 250μm. Proses tersebut termasuk kritis karena larutan yang digunakan harus terus-menerus terpapar pada medan listrik; medan ini dihasilkan dari tegangan yang diterapkan dan dibagi oleh jarak antara dua elektroda. Jarak yang relatif kecil ini sangat penting, karena membantu memastikan bahwa tegangan yang diaplikasikan bersifat relatif kecil. Jarak yang pendek juga kritis untuk menghindari transfer elektron yang tidak diinginkan dan memenuhi kebutuhan elektrolit, yaitu zat yang mengandung ion dan dapat menghantarkan listrik.
Substrat, yaitu bahan yang menjadi fokus reaksi, disuntikkan ke satu sisi reaktor. Substrat kemudian mengalir melalui reaktor, pada saat yang bersamaan tegangan diterapkan—mirip dengan mengganti sakelar—dan produk yang dapat dikarakterisasi diperoleh di sisi lain. Proses ini memberikan gambaran visual tentang bagaimana reaktor ini dapat menghasilkan produk dengan mengatur kondisi listrik dan aliran bahan secara terkoordinasi.
Perangkat ini berbentuk kotak kecil di mana medium reaksi beredar antara dua elektroda yang menghasilkan medan listrik.
Kredit Stefan Matile
Peneliti melakukan eksperimen pada reaktor ini dengan menggunakan suatu reaksi yang disebut epoksid membuka siklisis eter. Reaksi ini melibatkan pembukaan molekul epoksid yang merupakan suatu jenis senyawa berstruktur cincin, untuk membentuk suatu produk yang lebih kompleks. Proses ini memiliki relevansi dalam konteks kimia organik dan sintesis molekuler.
Ketika medan listrik diterapkan pada reaktor, terjadi suatu peristiwa menarik. Epoksid mengalami pembukaan, dan oksigen bermuatan negatif dilepaskan dari reaksi ini. Yang membuatnya menarik adalah keterlibatan carbon nanotubes. Nanomaterial ini berperan dalam mengaktifkan oksigen bermuatan negatif, menciptakan suatu interaksi yang dikenal sebagai anion-π.
Definisi Interaksi Anion-π:
- Anion-π adalah tipe interaksi nonkovalen antara ion bermuatan negatif (anion) dan cincin π (pi) pada suatu molekul atau sistem. Dalam konteks ini, carbon nanotubes berperan dalam menciptakan ikatan ini dengan oksigen bermuatan negatif dari reaksi epoksid.
Interaksi anion-π yang terbentuk dalam reaktor ini memiliki dampak signifikan. Pertama-tama, interaksi ini memberikan kontribusi dalam menstabilkan keadaan transisi yang kaya elektron. Keadaan transisi adalah tahap di mana reaksi kimia mengalami perubahan struktural menuju pembentukan produk akhir. Stabilisasi pada tahap ini merupakan faktor kunci dalam kelancaran suatu reaksi kimia.
Selain itu, interaksi anion-π yang kuat juga berperan dalam mempercepat laju katalisis reaksi. Laju katalisis mengukur seberapa cepat suatu reaksi kimia dapat berlangsung, dan dalam konteks ini, interaksi anion-π membantu dalam meningkatkan kecepatan proses tersebut.
Dengan demikian, eksperimen ini tidak hanya membuktikan efektivitas reaktor dalam mengelola reaksi kimia, tetapi juga menyoroti peran penting dari interaksi anion-π yang terbentuk di antara epoksid, oksigen bermuatan negatif, dan carbon nanotubes.
Mekanisme yang disarankan untuk reaksi pembukaan epoksid, yang berlangsung melalui pembentukan kompleks katalis-substrat V dan keadaan transisi VI.
Kredit M. Ángeles Gutiérrez López dkk.
Referensi :
[1] López, M.Á.G., Ali, R., Tan, M.L., Sakai, N., Wirth, T., dan Matile, S. 2023. Electric field–assisted anion-π catalysis on carbon nanotubes in electrochemical microfluidic devices. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adj5502
[2] https://www.chemistryworld.com/news/activating-a-chemical-reaction-by-flipping-a-switch/4018298.article diakses pada 30 Januari 2024