handout kristalografi
TRANSCRIPT
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
1/84
KIMIA FISIKA
KRISTALOGRAFI
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
2/84
KOMPETENSI DASAR
Setelah mengikuti bab Kristalografi,
mahasiswa mampu menjelaskan sifat fisika
kimia bahan baku secara lebih mendasarsehingga dapat mengantisipasi lebih awal
produk yang akan dihasilkan dan mampu
menganalisis kerusakan produk farmasisecara ilmiah dan bertanggung jawab.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
3/84
Pokok Bahasan
Latar Belakang
Energi ikatan antar atom
Kondisi materi
Dimensi dan energi ikatan
Habit dan struktur internal
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
4/84
Monotropi dan enantriotrop
Antaraksi dua bahan obat
Pemilihan Bentuk
Polimorf
Hidrat
Efeknya terhadap Pengembangan Formulasi
Kesimpulan
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
5/84
LATAR BELAKANG
Karakterisasi bentuk fisik bahan baku (zat
aktif maupun zat tambahan/eksipien)
penting untuk:Ketersediaan hayati
Kontrol zat aktif dalam produk
PengisianSifat-sifat formulasi yang baik
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
6/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
7/84
Bahan Baku
Bahan Aktif Eksipien
Kemurnian kimia
Karakterisasi fisika
Sifat serbuk bahan
Sifat partikulat
Spesifikasi Bahan Baku
Mutu produk terkendali
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
8/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
9/84
Gaya Tolak Menolak dan Tarik Menarik
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
10/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
11/84
ENERGI IKATAN ANTAR ATOM
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
12/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
13/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
14/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
15/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
16/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
17/84
(1) A + B A : B
(2) A + : B A : B kovalen koordinasi
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
18/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
19/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
20/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
21/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
22/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
23/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
24/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
25/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
26/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
27/84
Ikatan hidrogen. X H dan :Y dapat membentuk
jembatan X H---:Y jika X dan Y merupakan atom
kecil yang sangat elektronegatif seperti F, O, dan N.
Ikatan H juga terjadi intramolekular.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
28/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
29/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
30/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
31/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
32/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
33/84
Kondisi Materi
Kecenderungan teratur Kecenderungan penguraian
Wujud materi nyata
Kristal ideal
Kristal nyata
Kristal cair
Cairan nyata
Cairan ideal
Gas nyata
Gas ideal
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
34/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
35/84
Gas
Gerakan molekul-molekulnya cepat dan hebat,
sering bertumbukan satu sama lain dan
bertumbukan dengan wadah yang ditempatinya.
Hukum Boyle: PV = k
Hukum Gay Lussac & Charles: V= kT
Penggabungan: P1VI= P2V2
T1 T2
Hukum gas ideal secara umum:PV = nRT
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
36/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
37/84
Teori Molekular Kinetik
Gas terdiri dari partikel-partikel yang disebutmolekul, dimana volume totalnya dapat diabaikanterhadap volume ruang.
Partikel-partikel tidak tarik menarik tapi bergeraksecara independen.
partikel menunjukkan gerakan acak terus menerus.
Molekul-molekul menunjukkan elastisitassempurna, artinya tidak ada kehilangan kecepatansetelah mereka saling bertumbukan.
Menjelaskan kelakuan gas dan mendukung validitashukum gas.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
38/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
39/84
Cair
Temperatur kritis adalah temperatur tertinggi yang
masih mungkin untuk gas mencair. Tekanan kritisadalah tekanan yang diperlukan untuk mencairkangas pada temperatur kritisnya.
Prinsip yang digunakan dalam sediaan aerosol:
obat dilarutkan atau disuspensikan dalampropelan, yaitu bahan yang berbentuk cair padatekanan dalam wadah aerosol tetapi berbentuk gasdi bawah tekanan atmosfer normal. Dengan
menekan katup pada wadah, sejumlah campuranobat-propelan keluar karena kelebihan tekanandalam wadah. Contoh propelan: nitrogen,karbondioksida, fluorokarbon.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
40/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
41/84
Padatan dan Keadaan Kristal
Kristal Ideal
Atom-atomnya menempati posisi tertentu danpasti, bergerak mengelilingi posisi kesetimba-
ngannya.
Simetri kristal Keteraturan periodik tiga dimensional atom,
ion atau molekul khas untuk sebuah kristal.
Kisi 1 dimensional=deret titik periodik. Besar-nya a (=ao) adalah periode, jarak identitas.
Kisi 2 dimensional = dari atom awal dilakukantranslasi kedua yaitu b ke arah yang tegak
lurus (tapi umumnya menyimpang dari 90o
)
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
42/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
43/84
Kisi 3 dimensional/kisi ruang, didapat jika dariatom awal dilakukan translasi ke koordinatruang ketiga.
Sel elementer adalah struktur sejajar yangdibentuk dari ketiga vektor a, b dan c.
Ciri kisi: homogen dan anisotrop. Anisotropi artinya memiliki sifat dasar yang
tergantung pada arah, yang disimpulkan
melalui titik-titik identik yang membentuk kisiruang.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
44/84
a) Kisi satu dimensional
b) Kisi dua dimensional
c) Kisi tiga dimensional
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
45/84
Tujuh sistem kristal
Sistem kristal Panjang sumbu Sudut antara sumbu
Triklin
Monoklin
Rombus
Heksagonal
dan trigonal
Romboedris
Tetragonal
Kubus
ao bo co
ao bo co
ao bo co
ao =
bo co
ao =
bo
=c
o
ao = bo co
ao =
bo
= c
o
90 o
=
= 90 o
90 o
=
=
= 90 o
=
=
90 o = 120o
=
=
90
=== 90 o
=
=
= 90 o
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
46/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
47/84
KISI TRANSLASI ATAU KISI BRAVAIS
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
48/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
49/84
Habit dan Struktur Internal Habit adalah karakteristik penampilan kristal yang
ditentukan oleh bentuk utamanya. Muka kristal ditentukan oleh struktur internal
atom (simetri kelas kristal), dan traitmencerminkan hubungan kecepatan pertumbuhan
antara bentuk-bentuk tunggal. Sedangkan habitmencerminkan adaptasi kristal terhadap lingku-ngan pertumbuhan (temperatur, tekanan, lingku-ngan kimia, tekanan orientasi (pengembangan
anisotropi), ketidakmurnian dan pertumbuhansimultan kristal lainnya). Maka, kristal dari bahanyang sama dapat tumbuh dengan habit yang
berbeda di tempat yang berbeda dan tumbuh padakecepatan yang berbeda pada satu tempat.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
50/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
51/84
Variasi trait dalam
kristal pyrite:
Bentuk kubus (hijau)
Bentuk oktahedron
(biru)
Bentuk pentagonaldodekahedral (merah).
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
52/84
Bentuk luar kristal
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
53/84
Habit kristal pyrite
Morfologi kubus, ja-
rum dan lempeng ti-
pis dalam kristal
polihedral yang ber-hubungan dengan pe-
ngembangan anisotopi
muka-muka yang
ekuivalen.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
54/84
Morfologi kristal
yang langsung ber-
hubungan dengan
bagaimana kristaltumbuh dan kemu-
dian gaya
pengendali proses
kristalisasi
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
55/84
Habit kristal salju
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
56/84
ENERGI KISI
Energi kisi, Uk, sebuah kristal adalah besarnyaenergi yang harus digunakan untuk menguraikankristal menjadi komponen-komponennya dan
membawanya ke arah jarak yang tidak berhingga. Kondisi ideal kristal pada T = 0 K.
Makin tinggi suhu, kisi makin longgar akibatgetaran termik, energi kisi makin menurun.
Besarnya energi kisi tergantung gaya-gaya yangbekerja di antara partikel.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
57/84
Energi Kisi dan Kaitannya dengan Besaran
Lain
Ketegaran: Untuk jenis kisi yang sama dan valensi ion yang sama,
maka makin kecil jarak ion, ketegaran makin besar.
Untuk jarak ion yang sama maka main tinggi valensi,
ketegaran makin besar.
Stabilitas struktur
Makin besar energi kisi, makin stabil kristal tersebut.
Reaktivitas Pada sebuah deret homolog, umumnya zat dengan
energi kisi terendah paling mudah bereaksi.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
58/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
59/84
Titik Leleh dan Panas Peleburan
Titik beku adalah temperatur suatu cairan
berubah dari keadaan cair ke keadaan padat.Sebaliknya disebut titik leleh.
Titik beku atau titik leleh padatan kristalin
murni adalah tajam. Panas laten peleburan adalah panas yang
diabsorbsi ketika satu gram padatan meleleh
atau panas yang dibebaskan ketika suatu
padatan membeku.
Air: pada 0 oC, panas peleburan 80 cal/g.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
60/84
Titik Leleh dan Gaya-gaya intermolekular
Panas peleburan dapat dipertimbangkan
sebagai panas yang dibutuhkan untuk me-ningkatkan jarak antar atom atau antarmolekul dalam kristal, sehingga pelelehan
terjadi. Umumnya panas peleburan dan titik leleh
sebanding dengan kekuatan ikatan.
Hidrokarbon jenuh: BM , maka TL
TL asam karboksilat > TL asam lemak.
Kelarutan kafein > teofilin dan 7-propilteofilin> 7-etilteofilin.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
61/84
Polimorfisme Polimorfisme adalah fenomena suatu bahan (unsur
atau senyawa) dapat berada pada lebih dari satustruktur kristal tergantung pada temperaturdan/atau tekanan.
Polimorf umumnya mempunyai titik leleh, poladifraksi sinar x dan kelarutan yang berbeda-beda,walaupun secara kimia identik.
Trigliserida, tristearin: (TL rendah, metastabil)
(stabil).
Lemak teobroma dan lemak coklat sebagai basissupositoria menunjukkan polimorfisme, TL
berbeda.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
62/84
Peran polimorfisme dalam farmasi:
Pada obat yang kurang larut, sifat polimorfyang berbeda kelarutannya mempengaruhikecepatan disolusi, sehingga satu polimorfdapat lebih aktif secara terapetik daripada
polimorf lain dari obat yang sama. Contoh:kloramfenikol palmitat, sulfameter bentuk II,lebih aktif secara terapetik.
Dalam teknologi suspensi, tranformasi bentuk
kristal menyebabkan caking pada suspensisehingga sebelum diformulasi dipilih polimorfyang paling stabil. Contoh: kortison asetat (5
bentuk kristal).
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
63/84
Pemanasan, penggerusan dapat mengubah
bentuk polimorf satu ke bentuk yang lain. Penentuan struktur kristal dan konformasi
molekular berbagai polimorf dari obat yang
sama:Spektroskopi inframerah
Analisis termogravimetri
Kecepatan disolusi
Difraksi sinar x serbuk.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
64/84
Solvat: mirip polimorf tetapi kristal
mengandung molekul solven (pelarut yang
digunakan saat proses kristalisasi). Disebut
juga pseudopolimorfisme.
Enantiotrop dan Monotrop
Enantiotrop: perubahan bentuk polimorf ke
bentuk lainnya yang reversibel.
Monotrop: perubahan bentuk polimorf hanya
pada satu arah yaitu dari bentuk metastabil kebentuk stabil.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
65/84
Temperatur transisi polimorfisme
Merupakan sifat penting sistem dan menentukan
bentuk yang lebih stabil pada temperatur rendah. Pada temperatur transisi, polimorf mempunyai
energi bebas yang sama, kelarutan identik dalampelarut tertentu dan tekanan uap yang sama.
Penentuan temperatur transisi:
Regresi linear dari logaritma kelarutan vs 1/T,menghasilkan intersep temperatur transisi.
Pada larutan encer, logaritma rasio kelarutan dua
polimorf vs 1/T. Diagram fase tekanan vs temperatur.
Differential Scanning Calorimetry (DSC).
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
66/84
Padatan amorf
Dianalogikan sebagai cairan superdingindimana molekul-molekul tertata secara acakdengan cara yang sama seperti padakeadaan cair. Contoh: gelas, plastik sintetis.
Perbedaannya dengan padatan kristal:Cenderung mengalir ketika diberikan tekanan
yang cukup dalam waktu lama.
Tidak mempunyai titik leleh yang tertentu.
Bentuk amorf atau kristal mempengaruhiaktivitas terapetik. Contoh: novobiosin.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
67/84
KRISTAL CAIR (Mesofase)
Merupakan fase antara keadaan cair dan padat.
Sifat: mudah bergerak dan mempunyai sifat alirancairan. Cahaya yang melewatinya terbagi duakomponen yang berbeda kecepatannya sehingga
mempunyai indeks refraksi yang berbeda, ini adalahsifat kristal.
Molekul yang membentuk mesofase:
Organik
Bentuknya panjang atau seperti garis lurus. Rigid (kaku)
Memiliki dipol kuat dan merupakan gugus yang mudahterpolarisasi.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
68/84
a. Smectic mesophase a. Nematic mesophase
i h ( i b /l k)
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
69/84
Smectic mesophase (seperti sabun/lemak).
Molekul dapat bergerak dalam dua arah dan dapatberotasi di sekitar satu sumbu.
Paling berperan dalam farmasetika karena biasanyaterdapat dalam campuran terner atau lebihkompleks, yang mengandung surfaktan, air danamfifilik lemah atau zat tambahan nonpolar.
Aplikasi: solubilisasi bahan tak larut dalam air,misalnya emulsi, dan bertanggungjawab atas
peningkatan stabilitas fisik karena sifatnya yangsangat kental.
Nematic mesophase (seperti benang).Molekul dapat bergerak dalam tiga dimensi dan
berotasi di sekitar satu sumbu.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
70/84
Contoh-contoh kristal cair:
Kristal cair non-air yang terbentuk daritrietanolamin (TEA) dan asam oleat dengan
suatu seri polietilen glikol atau berbagai
asam organik seperti isopropil miristat,
skualen.
Struktur kristal cair serupa dengan membran
sel sehingga kristal cair dapat berfungsi
sebagai model biofisika untuk struktur dan
fungsionalitas membran sel.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
71/84
Kesetimbangan Fase dan Aturan Fase
Hukum Fase Gibbs berguna untukmenghubungkan efek jumlah variabel yang tidak
bergantung (misalnya temperatur, tekanan dan
konsentrasi) terhadap berbagai fase (padat, cair,gas) yang terdapat dalam sistem kesetimbanganyang mengandung sejumlah komponen.
F = CP + 2
F = derajat kebebasan dalam sistem
C = jumlah komponen
P = jumlah fase
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
72/84
Fase adalah bagian dengan batas fisik yang jelas,bersifat homogen dan dipisahkan satu sama lainoleh suatu batas permukaan. Sistem air danuapnya adalah sistem dua fase.
Jumlah komponen adalah jumlah minimalkomponen yang saling tidak tergantung yangdiperlukan untuk bangun strukturnya.
Contoh: campuran es, air dan uap air padakesetimbangan, jumlah komponennya satu. SistemCaCO3 CaO + CO2memiliki tiga fase (dua fase
kristalin dan satu fase gas) tapi hanya mempunyaidua komponen yang saling tidak tergantung. Yangketiga, CaCO3ditentukan oleh kedua lainnya.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
73/84
Tingkat kebebasan adalah jumlah variabel yang
tidak bergantung (tekanan, suhu dan konsentrasi
komponen), tanpa terjadinya sebuah pertukaranfase (tanpa terbentuknya fase baru atau hilangnya
fase lama).
Jika kita memperhatikan hanya satu fase di dalam
sebuah sistem satu komponen, misalnya kondisiterkristalisasi, maka tekanan dan suhu dapat
divariasikan dalam batas-batas yang lebih luas
tanpa terbentuk suatu pertukaran fase. Ini berarti,
sistem mempunyai tingkat kebebasan dua (F = 1-
1+2 = 2) dan disebut divarian.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
74/84
Jika sebuah kristal berada dalam kesetimbangan
dengan uapnya dan kedua fase diharapkan dapat
terus dipertahankan, maka misalnya hanyasuhunya yang dapat divariasikan lebih lanjut
sedangkan tekanannya dibuat tetap. Sistem tadi
hanya mempunyai satu tingkat kebebasan (F=1-
2+2=1) dan disebut univarian. Pada kasus koeksistensi kristal, leburan dan uap,
maka tekanan dan suhu ditetapkan seluruhnya dan
tidak dapat divariasikan lagi. Sistem tiga fase ini
tidak mempunyai tingkat kebebasan lagi dan
disebut invarian.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
75/84
K ti b P S bli i d
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
76/84
Kesetimbangan Penguapan, Sublimasi danLeburan, Titik Ganda Tiga (Triple Point)
Hubungan kesetimbangan:plot P sebagai fungsi T.
Dalam diagram fase, sistem divarian dilukiskanmelalui sebuah bidang, artinya P (tekanan) dan T(temperatur) sebagai variabel dalam batas-batasyang luas tanpa terbentuk suatu perubahan fase.
Sistem monovarian dikarakterisasikan melaluigaris, yang membatasi daerah eksistensi keduafase. Dalam kasus ini, misalnya hanya suhu yangdapat divariasikan lebih lanjut dimana tekanan
sangat terbatas, atau sebaliknya.akhirnya, padasistem invarian, tidak terdapat kebebasan memilihlagi, sehingga daerah eksistensi bertemu padasebuah titik yang jelas-jelas ditentukan melaluitekanan dan suhu.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
77/84
BO kurva leburan (kesetimbangan kristal-leburan)
AO kurva penguapan (kesetimbangan leburan-uap)
CO kurva sublimasi (kesetimbangan kristal-uap)
O titik ganda tiga (kesetimbangan kristal-leburan-uap
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
78/84
ANTARAKSI DUA/LEBIH ZAT
Sistem Eutektikum
Terdapat penurunan titik lebih paling tajamdibandingkan dengan komponen murninya.
Sebuah leburan homogen selama prosespembekuannya berubah menjadi campuran duajenis kristal yang heterogen.
Leburan alpha +beta
Contoh: sistem timol-salol, kamfer-salol, lidokain-prilokain, ketoprofen-PEG.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
79/84
Dispersi Padat
Sistem eutektik, sistem merupakan campuran
kristalin yang berhubungan erat antara satukomponen dalam komponen lain.
Larutan padat, masing-masing fase padatmengandung kedua komponen, artinya, solut
padat terlarut dalam pelarut padat lainnya untukmenghasilkan kristal campuran.
Kegunaan:
Mengubah laju disolusi, bioavailabilitas. Contoh:
obat yang sukar larut digabungkan denganpembawa yang sangat larut seperti urea.
Pengurangan ukuran partikel.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
80/84
Kesetimbangan Fase dalam Sistem Tiga Komponen
Aturan fase: jumlah tingkat kebebasan meningkat
dengan meningkatnya jumlah komponen. Untuk
sistem tiga komponen:
Invarian: lima fase dalam kesetimbangan (titik
ganda lima); univarian: 4 fase; divarian: 3 fase;trivarian: 2 fase; tetravarian: 1 fase.
Untuk menetapkan hubungan kesetimbangan
sistem terner secara kuantitatif harus diperhatikan 4
tingkat kebebasan: P, T, konsentrasi A dankonsentrasi B. konsentrasi C tidak diperhatikan
karena konsentrasi C ditentukan oleh A dan B.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
81/84
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
82/84
Sudut: konsentrasi sebuah komponen 100% dan
komponen lainnya adalah o%.
Sisi dari segitiga: memberikan komposisi sistem
biner AB, BC, CA.
Seluruh titik yang terletak pada bagian dalam
segitiga, sesuai dengan komposisinya,mengandung ketiga komponen.
Dari ilustrasi bidang ini, kita dapat memperoleh
model ruang, jika kita melukiskan faktor suhu
berupa garis tegak lurus berhadap segitigakonsentrasi.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
83/84
Kegunaan:
Sistem eutektik berner: tiga sistem biner
yang masing-masing mempunyai titikeutektik EAB, EBCdan EAC. Seluruhkomponen pada seluruh daerah
konsentrasinya menghasilkan leburanhomogen, tetapi dalam kondisi padatnyatidak membentuk kristal campuran. Padatitik eutektik terner,pada tekanan yang
diberikan ketiga fase padat berada dalamkesetimbangan dengan leburannya sehinggatitiknya adalah invarian.
-
7/22/2019 Handout Kristalografi
84/84
Sistem terner dengan satu pasang cairan
yang larut sebagian