Identifikasi Senyawa Organik II: Metode Spektroskopi UV dan IR

Selain analisis kualitatif menggunakan uji reaksi yang spesifik terhadap gugus-gugus fungsi dalam senyawa organik, metode lain yang dapat digunakan adalah metode spektroskopi. Spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari materi dan atributnya berdasarkan cahaya, suara atau partikel yang dipancarkan, diserap atau dipantulkan oleh materi tersebut. Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya dan materi.

Spektroskopi umumnya digunakan dalam kimia fisik dan kimia analisis untuk mengidentifikasi suatu substansi melalui spektrum yang dipancarkan atau yang diserap. Alat untuk merekam spektrum disebut spektrometer. Dalam postingan ini, akan dibahas mengenai prinsip dasar metode spektroskopi, jenis dan cara penentuan struktur senyawa organik menggunakan metode spektroskopi.

Prinsip Dasar

• Hukum Planck, menjelaskan bahwa suatu energi foton sebanding dengan frekuensi cahaya, berbanding lurus dengan kecepatan cahaya dan berbanding terbalik dengan panjang gelombang cahaya yang dilalukan.

• Hukum Lambert-Beer, menjelaskan bahwa intensitas cahaya yang diserap oleh suatu medium (absorbansi) berbanding lurus dengan konsentrasi dan tebal medium yang menyerap cahaya tersebut. Absorbansi juga merupakan kebalikan dari persen transmitansi (persen cahaya yang diteruskan).

Jenis-Jenis Metode Spektroskopi

• Spektroskopi Ultraviolet (UV): Keadaan energi elektronik
  Digunakan untuk ---- molekul konjugasi, gugus karbonil, gugus nitro

• Spektroskopi Inframerah (IR): keadaan energi vibrasi 
  Digunakan untuk ---- gugus fungsional, struktur ikatan

• Spektroskopi Resonansi Magnet Inti (NMR): keadaan spin inti 
  Digunakan untuk ---- bilangan, tipe dan posisi relatif dari proton (inti hidrogen dan inti karbon-13)

• Spektroskopi Massa (MS): Penembakan elektron berenergi tinggi 
  Digunakan untuk ---- mengetahui berat molekul, keberadaan nitrogen, halogen

 

Spektroskopi Ultraviolet (UV)

Radiasi ultraviolet merupakan radiasi elektromagnetik terhadap panjang gelombang yang lebih pendek dari daerah dengan sinar tampak, namun lebih panjang dari sinar-X yang kecil dan dinamai ultraviolet karena frekuensinya lebih tinggi daripada sinar ungu (violet).  Radiasi UV dapat dibagi menjadi:

1. Hampir UV (panjang gelombang : 380-200 nm)
2. UV vakum (panjang gelombang : 200-10 nm).

Untuk keperluan penentuan struktur, spektroskopi ultraviolet memiliki kemampuan untuk mengukur jumlah ikatan rangkap atau konyugasi aromatik didalam suatu molekul. Daerah panjang gelombang dari spektrum ultra violet berkisar 200 - 400 nm. Penyerapan sinar ultra violet oleh suatu molekul akan menghasilkan transisi diantara tingkat energi elektronik molekul tersebut. 

Prinsip kerja spektrofotometer UV-Vis adalah interaksi yang terjadi antara energi yang berupa sinar monokromatis dari sumber sinar dengan materi yang berupa molekul. Besar energy yang diserap tertentu dan menyebabkan elektron tereksitasi dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi  yang memiliki energi yang lebih tinggi. Serapan tidak terjadi seketika pada daerah ultraviolet-visible untuk semua struktur elektronik, tetapi hanya pada sistem-sistem terkonjugasi, struktur elektronik dengan adanya ikatan phi dan nonbonding electron.

Alat Spektrometer Ultraviolet

Skema Kerja Spektrometer Berkas Ganda (Double Beam/ Dual Beam)

Transisi tersebut terjadi pada orbital ikatan atau pasangan elektron bebas dengan orbital anti ikatan. Sistem (gugus atom) yang menyebabkan terjadinya absorbsi cahaya disebut kromofor. Transisi elektronik yang mungkin terjadi secara teoritis diberikan pada gambar (Pavia et al, 2009).

Auksokrom dengan pasangan elektron bebas ditandai sebagai n memiliki transisinya sendiri, seperti halnya transisi pada ikatan pi aromatik. Bagian molekul yang dapat menjalani transisi elektron tersebut dapat disebut sebagai kromofor sejak transisi tersebut menyerap radiasi elektromagnetik (cahaya). Transisi elektronik molekul yang terjadi diantaranya:

• σ → σ^*
• π → π^*
• n → σ^*
• n → π^*
• aromatic π → aromatic π^*

Sebagai tambahan, transisi elektronik juga memiliki nama sesuai ikatan yang berkaitan. Pita transisi (bands) tersebut diantaranya: 

• R-band dari bahasa Jerman radikalartig atau radical-like, 
• K-band dari bahasa Jerman Konjugierte atau konjugasi, 
• B-band dari benzoik
• E-band dari etilenik (sistem disarankan oleh A. Burawoy pada tahun 1930)

Sebagai contoh, spektrum absorbsi untuk etana menunjukkan sebuah transisi σ → σ^* pada panjang gelombang 135 nm dan untuk air, sebuah transisi n → σ^* pada 167 nm dengan koefisien ekstingsi sebesar 7,000. Benzena memiliki tiga transisi π → π^*dari cincin aromatik; dua E-bands pada 180 dan 200 nm dan satu B-band pada 255 nm dengan koefisien ekstingsi berturut-turut 60,000, 8,000 dan 215. 

Spektrum UV untuk Molekul Benzena (C6H6)

Transisi elektron lainnya disajikan pada tabel berikut:

Spektroskopi Inframerah (IR)

Spektrofotometri inframerah lebih banyak digunakan untuk identifikasi suatu senyawa melalui gugus fungsinya. Spektroskopi Inframerah (IR) digunakan untuk menentukan struktur, khususnya senyawa organik dan juga untuk analisis kuantitatif. Bila dibandingkan dengan daerah UV-tampak, di mana energi dalam daerah ini dibutuhkan untuk transisi elektronik , maka radiasi inframerah hanya terbatas pada perubahan energi setingkat molekul. Untuk tingkat molekul, perbedaan dalam keadaan vibrasi dan rotasi digunakan untuk mengabsorbsi sinar infra merah. Jadi untuk dapat mengabsorbsi, molekul harus memiliki perubahan momen dipol sebagai sebagai akibat dari vibrasi. Berarti radiasi medan listrik yang berubah-ubah akan berinteraksi dengan molekul dan akan menyebabkan perubahan amplitudo salah satu gerakan molekul. 

Daerah radiasi spektroskopi IR berkisar pada bilangan gelombang 12800-10 cm^-4, atau panjang gelombang 0,78-1000 µm. umummya daerah radiasi IR terbagi dalam daerah :

• Dekat: 12800-4000 cm^-1, 3,8-1,2x10¹⁴ Hz, 0,78-2,5 µm
• Tengah: 4000-200 cm^-1, 0,012-6x10⁴ Hz, 2,5-50 µm
• Jauh: 200-10 cm^-1, 60-3 x 10¹¹ Hz, 50-1000 µm

Untuk keperluan elusidasi struktur, daerah dengan bilangan gelombang 1400 – 4000 cm-1 yang berada dibagian kiri spektrum IR, merupakan daerah yang khusus berguna untuk identifikasi gugus-gugus fungsional, yang merupakan absorbsi dari vibrasi ulur. Selanjutnya daerah yang berada disebelah kanan bilangan gelombang 1400 cm-1 sering kali sangat rumit karena pada daerah ini terjadi absorbsi dari vibrasi ulur dan vibrasi tekuk, namun setiap senyawa organik memiliki absorbsi yang kharakteristik pada daerah ini. Oleh karena itu bagian spektrum ini disebut daerah sidikjari (fingerprint region). 

Saat ini ada dua macam instrumen yaitu spektroskopi IR dan FTIR (Fourier Transformation Infra Red). FTIR lebih sensitif dan akurat seperti dapat membedakan bentuk cis dan trans, ikatan rangkap terkonyugasi dan terisolasi dan lain-lain yang dalam spektrofotometer IR tidak dapat dibedakan.  
 

Alat Fourier Transform IR (FTIR)

 

Skema Alat Spektrometer Inframerah (IR)

Selanjutnya juga dapat diketahui daerah-daerah vibrasi dari masing-masing ikatan yang dimiliki oleh senyawa organik dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

Berikut ini ditampilkan contoh spektrum IR dari sejumlah senyawaan organik. Perhatikan puncak-puncak yang khas bagi tiap-tiap gugus fungsi seperti disajikan di tabel sebelumnya.

Spektrum IR dari 2-Butanol

Spektrum IR dari Benzonitril

Spektrum IR dari p-metilfenol (p-Cresol)

Pada bahasan selanjutnya, akan dibahas metode spektroskopi selanjutnya, yaitu NMR (proton dan karbon-13) serta spektrometri massa (MS). Bila ada kekurangan atau pertanyaan, silahkan beri komentar di bawah postingan ini. Terima kasih :D

Untuk melihat soal-soal terkait metode Spektroskopi UV-VIS silahkan klik tautan berikut:

http://q.gs/DpqgJ

Daftar Pustaka

1. Fessenden, R.J. & Fessenden, J.S., 1999, Kimia Organik, Edisi Ketiga, Penerbit Erlangga, Jakarta
2. Hart, H., Leslie, E.C. & David, J.H., 2003, Kimia Organik Suatu Kuliah Singkat, Terjemahan Suminar Setiati Achmadi, Edisi Kesebelas, Penerbit Erlangga, Jakarta
3. Pavia, D.L., Lampman, G.M., Kriz, G.S. & Vyvyan, J.R. 2009. Introduction to Spectroscopy. Sauders College. Philadelphia. 
4. Supratman, U. 2010. Elusidasi Struktur Senyawa Organik. Widya Padjadjaran. Bandung.