Elektrosintesis

Elektrosintesis, Metode Elektrokimia untuk Memproduksi Senyawa Kimia

Selama ini kita hanya mendengar bahwa metode elektrokimia selalu didayagunakan atau berkonotasi dengan kata pemurnian logam dan proses penyepuhan/elektroplating (melindungi logam dari korosi). Ini termasuk juga dengan pandangan penulis dan mungkin rekan-rekan lainnya selama ini. Sebuah pandangan yang tidak sepenuhnya salah karena memang aplikasi utama dari metode elektrokimia adalah untuk pemurnian logam dan elektroplating. Selain itu di laboratorium pun, memang kita paling sering melakukan percobaan elektrokimia terutama percobaan sel elektrolisis, sehingga memang klop rasanya jika kita menyandarkan kata elektrokimia dengan elektroplating dan pemurnian logam.
Sesuai dengan namanya, metode elektrokimia adalah metode yang didasarkan pada reaksi redoks, yakni gabungan dari reaksi reduksi dan oksidasi, yang berlangsung pada elektroda yang sama/berbeda dalam suatu sistim elektrokimia. Sistem elektrokimia meliputi sel elektrokimia dan reaksi elektrokimia. Sel elektrokimia yang menghasilkan listrik karena terjadinya reaksi spontan di dalamnya di sebut sel galvani. Sedangkan sel elektrokimia di mana reaksi tak-spontan terjadi di dalamnya di sebut sel elektrolisis. Peralatan dasar dari sel elektrokimia adalah dua elektroda -umumnya konduktor logam- yang dicelupkan ke dalam elektrolit konduktor ion (yang dapat berupa larutan maupun cairan) dan sumber arus. Karena didasarkan pada reaksi redoks, pereaksi utama yang berperan dalam metode ini adalah elektron yang di pasok dari suatu sumber listrik. Sesuai dengan reaksi yang berlangsung, elektroda dalam suatu sistem elektrokimia dapat dibedakan menjadi katoda, yakni elektroda di mana reaksi reduksi (reaksi katodik) berlangsung dan anoda di mana reaksi oksidasi (reaksi anodik) berlangsung.
Aplikasi metode elektrokimia untuk lingkungan dan laboratorium pada umumnya didasarkan pada proses elektrolisis, yakni terjadinya reaksi kimia dalam suatu sistem elektrokimia akibat pemberian arus listrik dari suatu sumber luar. Proses ini merupakan kebalikan dari proses Galvani, di mana reaksi kimia yang berlangsung dalam suatu sistem elektrokimia dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik, misalnya dalam sel bahan bakar (fuel-cell). Aplikasi lainnya dari metode elektrokimia selain pemurnian logam dan elektroplating adalah elektroanalitik, elektrokoagulasi, elektrokatalis, elektrodialisis dan elektrorefining.
Sedangkan aplikasi lain yang tidak kalah pentingnya dari metode elektrokimia dan sekarang sedang marak dikembangkan oleh para peneliti adalah elektrosintesis. Teknik/metode elektrosintesis adalah suatu cara untuk mensintesis/membuat dan atau memproduksi suatu bahan yang didasarkan pada teknik elektrokimia. Pada metode ini terjadi perubahan unsur/senyawa kimia menjadi senyawa yang sesuai dengan yang diinginkan. Penggunaan metode ini oleh para peneliti dalam mensintesis bahan didasarkan oleh berbagai keuntungan yang ditawarkan seperti peralatan yang diperlukan sangat sederhana, yakni terdiri dari dua/tiga batang elektroda yang dihubungkan dengan sumber arus listrik, potensial elektroda dan rapat arusnya dapat diatur sehingga selektivitas dan kecepatan reaksinya dapat ditempatkan pada batas-batas yang diinginkan melalui pengaturan besarnya potensial listrik serta tingkat polusi sangat rendah dan mudah dikontrol. Dari keuntungan yang ditawarkan menyebabkan teknik elektrosintesis lebih menguntungkan dibandingkan metode sintesis secara konvensional, yang sangat dipengaruhi oleh tekanan, suhu, katalis dan konsentrasi. Selain itu proses elektrosintesis juga dimungkinkan untuk dilakukan pada tekanan atmosfer dan pada suhu antara 100-900^oC terutama untuk sintesis senyawa organik, sehingga memungkinkan penggunaan materi yang murah.
Prinsip Elektrosintesis
Prinsip dari metode elektrosintesis didasarkan pada penerapan teori-teori elektrokimia biasa sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Baik teknik elektrosintesis maupun metode sintesis secara konvensional, mempunyai variabel-variabel yang sama seperti suhu, pelarut, pH, konsentrasi reaktan, metode pencampuran dan waktu. Akan tetapi perbedaannya, jika di elektrosintesis mempunyai variabel tambahan yakni variabel listrik dan fisik seperti elektroda, jenis elektrolit, lapisan listrik ganda, materi/jenis elektroda, jenis sel elektrolisis yang digunakan, media elektrolisis dan derajat pengadukan.
Pada dasarnya semua jenis sel elektrolisis termasuk elektrosintesis selalu berlaku hukum Faraday yakni:

• Jumlah perubahan kimia yang terjadi dalam sel elektrolisis, sebanding dengan muatan listrik yang dilewatkan di dalam sel tersebut
• Jumlah muatan listrik sebanyak 96.500 coulomb akan menyebabkan perubahan suatu senyawa sebanyak 1,0 gramekivalen (grek)

Sebelum melaksanakan elektrosintesis, sangatlah penting untuk memahami reaksi yang terjadi pada elektroda. Di dalam sel elektrolisis akan terjadi perubahan kimia pada daerah sekitar elektroda, karena adanya aliran listrik. Jika tidak terjadi reaksi kimia, maka elektroda hanya akan terpolarisasi, akibat potensial listrik yang diberikan. Reaksi kimia hanya akan terjadi apabila ada perpindahan elektron dari larutan menuju ke elektroda (proses oksidasi), sedangkan pada katoda akan terjadi aliran elektron dari katoda menuju ke larutan (proses reduksi). Proses perpindahan elektron dibedakan atas perpindahan elektron primer, artinya materi pokok bereaksi secara langsung pada permukaan elektroda, sedangkan pada perpindahan elektron secara sekunder, elektron akan bereaksi dengan elektrolit penunjang, sehingga akan dihasilkan suatu reaktan antara (intermediate reactan), yang akan bereaksi lebih lanjut dengan materi pokok di dalam larutan. Reaktan antara ini dapat dihasilkan secara internal maupun eksternal:
Perpindahan elektron secara primer : O + ne → P
Perpindahan elektron secara sekunder : X + ne → I, O + I → P
Perlu diketahui juga dalam mengelektrosintesis terutama sintesis senyawa organik bahwa reaksi pada elektroda dapat saja berubah bila kondisi berubah. Salah satu parameter yang penting untuk memahami reaksi yang terjadi adalah dengan mengetahui potensial elektrolisis untuk reaksi oksidasi dan reduksi. Tabel 1 dan 2 berikut ini memperlihatkan potensial reduksi dan oksidasi beberapa senyawa organik:

Senyawa E1/2 (Volt) Phenacyl Bromide - 0.16 Kloroform - 1.67 Methylen Klorida - 2.33 Benzoquinon + 0.44 Benzoquinon - 0.40 Mesityl oxide - 1.6 Camphor Anil - 2.6 Benzalanin - 1.83 Anthracene - 1.94 Phenantherene - 2.46 Napthalene - 2.47 Tabel . 1 Potensial reduksi senyawa organik		Senyawa E1/2 (Volt) Anthracene 1.20 Phenantherene 1.68 Napthalene 1.72 Phenol 1.35 Anisol 1.67 Thioanisol 1.82 Bitropyl 1.29 Tropylidiine 1.39 Thiopene 1.91 Tabel. 2 Potensial oksidasi senyawa organik
		Sumber: Buchori 2003

Pengaturan potensial juga amat penting dilakukan terutama bila reaksi melibatkan molekul bergugus fungsi banyak (kompleks polyfunctional molecule). Sebagai contoh reaksi reduksi kromida aromatik pada kondisi katon dan alkil klorida tidak aktif dan alpha-kromoketon yang lebih mudah tereduksi dari pada arilkromida. Reaksi reduksi selektif ini dapat diramalkan berjalan sesuai dengan arah yang diinginkan melalui pengaturan potensial. Pengaturan potensial juga berguna untuk suatu reaksi transformasi pembuatan suatu senyawa organik yang melibatkan iodikal, karbanion ataupun korbonium, yang secara kimia biasa tidak dapat dilakukan ternyata dapat dilaksanakan secara elektrokimia.
Dari berbagai penelitian yang telah dilakukan diketahui bahwa sebenarnya dasar dari terjadinya reaksi elektrosintesis adalah :

1. Pemutusan ikatan tunggal
   Beberapa jenis ikatan tunggal yang elektroaktif antara lain : alkil halida, ikatan karbon-oksigen, ikatan karbon-nitrogen, ikatan karbon-belerang, ikatan karbon-fosfor dan ikatan oksigen-oksigen.
2. Reduksi Ikatan rangkap (rangkap dua dan rangkap tiga)
   Beberapa kelompok ikatan rangkap yang elektroaktif, antara lain gugusan karbonil (aldehida, keton, karboksilat dan turunannya), ikatan ganda karbon nitrogen (Irium, turunan karbonil lainnya), gugus nitro (senyawa nitro aromatik, nitro alifatik), ikatan rangkap lainnya (senyawa azo dan nitrozo, diazo dan diazinum).

Aplikasi Metode Elektrosintesis
Dari beberapa contoh hasil penelitian yang penulis peroleh, metode elektrosintesis telah banyak dimanfaatkan oleh para peneliti dalam mensintesis senyawa organik (elektrosintesis organik) dan elektrosintesis bahan konduktor organik serta yang tak kalah bergengsinya dan sedang dikembangkan saat ini adalah pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat melalui metode elektrosintesis. Aplikasi di luar yang penulis ketahui sebagaimana tersebut di atas mungkin telah sangat jauh berkembang karena memang sifat ilmu pengetahuan yang dinamis dan selalu berkembang seiring waktu.
Untuk sintesis bahan organik, didasarkan pada reaksi penggabungan, substitusi, siklisasi dan reaksi eliminasi yang diikuti pengaturan kembali secara elektrokimia. Ini berbeda dengan metode secara konvensional yang memakai dasar reduksi aldehid, oksidasi alkohol, reduksi senyawa nitro dan oksidasi senyawa sulfur. Kesulitan yang timbul selama elektrosintesis organik yakni apabila zat antara yang diinginkan memiliki kestabilan yang rendah, cara mengatasinya adalah dengan menyediakan zat perangkap (trapping agent) di dalam larutan dengan syarat zat perangkap ini tidak bereaksi dengan zat elektroaktif dan tidak mengalami elektrolisis.
Berikut adalah contoh gambar rangkaian sel elektrolisis dengan menggunakan dua buah elektroda untuk sintesis senyawa organik:

Sumber : Suwarso., et al (2003)

Beberapa contoh dari elektrosintesis organik adalah pembuatan chiral drug untuk industri farmasi (Weinberg, 1997), sintesis p-aminofenol melalui reduksi nitrobenzena secara elektrolisis (Suwarso., et al, 2003), pembuatan soda (NaOH) dan asam sulfat (H₂SO₄) dari Na₂SO₄ melalui proses splitting electrochemistry (Genders., et al, 1995), reduksi senyawa Triphenylbiomoethylene menjadi Triphenilethylene dan Triphenylethane (Miller, 1968) serta ratusan senyawa organik lainnya yang telah berhasil dibuat untuk keperluan bahan baku obat (Buchari, 2003). Untuk skala perusahaan/pabrik telah dilakukan oleh Perusahan Monsanto (Kanada) dengan memproduksi adiponitril (bahan dasar nylon 6,6) dan produksi fluorokarbon oleh Perusahaan Philips (Belanda).
Sedangkan metode elektrosintesis bahan konduktor organik telah dilakukan oleh para peneliti di Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan (P3IB) Batan Indonesia yakni polipirol dan polialanin, pembuatan lapisan tipis superkonduktor YBCO-123 dan Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O serta pengkajian pembuatan prekursor superkonduktor YBCO-123.Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Ti-Sr-Ca-Cu-O dan lain-lain yang didasarkan pada elektrodeposisi unsur-unsur penyusun superkonduktor tersebut.
Penanggulangan masalah polutan dalam arti pemisahan polutan dari lingkungan mungkin telah sering kita dengar, tetapi metode atau aspek lain pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat mungkin hal baru bagi sebagian orang (terutama non kimia). Untuk tujuan ini, elektrosintesis merupakan metode yang paling banyak mendapat perhatian dan sedang giat dikembangkan oleh para ahli lingkungan dewasa ini. Polutan yang paling banyak diteliti dalam perspektif elektrosintesis adalah karbondioksida. Karbon dioksida mendapat perhatian khusus karena polutan ini merupakan gas buangan paling banyak yang ditemukan dan dampaknya yang sudah dikenal secara luas terhadap atmosfir bumi, terutama terjadinya efek rumah kaca. Penelitian untuk pemanfaatan karbondioksida yang sedang dilakukan dewasa ini adalah pengubahan polutan ini menjadi metana, yang telah dikenal luas sebagai bahan bakar ramah lingkungan. Meskipun baru dalam tahap pengembangan, hasil percobaan oleh Kaneco., et al (2002) telah menunjukkan tingkat konversi karbon dioksida menjadi metana hingga sekitar 45%. Di samping metana, hasil lain dari elektrosintesis dengan bahan baku karbondioksida yang telah diidentifikasi adalah asetilena dan metanol, yang juga mempunyai nilai ekonomis yang tinggi. Meskipun jumlah polutan yang diteliti masih terbatas, hasil yang dicapai dengan elektrosintesis ini mempunyai makna lain, yakni tidak tertutup kemungkinan bahwa polutan lain baik yang terdapat dalam limbah cair, padat dan gas untuk dapat dimanfaatkan menjadi senyawa yang bermanfaat dengan penggunaan metode yang sama.