Modul Viii Sulfonasi Naftalen

MODUL VIII SULFONASI NAFTALEN DENGAN MENGGUNAKAN PELARUT DIKLOROMETANA DIKLOROMETANA

Oleh: Rintis Manfaati, ST., MT

I.

PENDAHULUAN

Sulfonasi adalah reaksi memasukkan gugus sulfonic acid (-SO2OH) atau gugus sulfonil halida halida (-SO2Cl) ke dalam senyawa organik. Gugus tersebut dapat berikatan dengan atom C (produk yang dihasilkan disebut sulfonates) sulfonates) atau atom N (RNHSO2ONa, produk yang dihasilkan disebut N-sulfonates N-sulfonates atau sulfamates). sulfamates). Sulfatasi adalah reaksi memasukkan gugus -OSO2OH yang berikatan dengan atom C pada senyawa organik menghasilkan acid sulfate (ROSO sulfate (ROSO2OH) atau gugus -SO 4antara dua atom C pada senyawa organik membentuk sulfate membentuk sulfate ROSO2OR.

1.1

Latar Belakang

Sulfonates Sulfonates biasanya digunakan dalam bentuk asam atau garamnya. Industri yang mengaplikasikan proses sulfonasi cukup luas terutama industri kertas, dengan produk utama yang dihasilkan adalah lignin sulfonate. sulfonate. Detergent (dodecyl (dodecyl benzene sulfonate) sulfonate) dihasilkan dengan cara menggabungkan gugus aktif -SO 2OH- sebagai kutub polar hidrofilik dengan senyawa organik rantai panjang sebagai kutub non polar hidrofobik.Toluenesulfonic hidrofobik.Toluenesulfonic acid digunakan sebagai katalis, phenolsulfonic acid digunakan digunakan sebagai bahan aditif pada proses elektroplating.

Aromatic sulfonil chlorides chlorides -RSO2Cl- digunakan sebagai bahan baku pembuatan sulfoamides sulfoamides seperti obat-obatan sulfa, zat pewarna tekstil, zat penyamak kulit, plasticizers, plasticizers, pemanis buatan sakarin dan sulfonate ester (insektisida).Herbisida, pemanis buatan dan antikoagulan antikoagulan darah merupakan jenis Sulfamates. Sulfamates.

Sulfonasi Naftalen dengan Menggunakan Menggunakan Pelarut Diklorometana Diklorometana

VIII - 1

Sulfonasi Naftalen dengan Menggunakan Pelarut Diklorometana

VIII-2

1.2

Tujuan Percobaan

1.

Memahami karakteristik reaksi sulfonasi naftalen , kondisi operasi proses, rangkaian peralatan proses dan penanganannya yang tepat.

2.

Melakukan tahapan-tahapan proses sulfonasi.

3.

Melakukan tahapan-tahapan proses purifikasi dan pemurnian produk sulfonasi yang tepat.

II.

DASAR TEORI

Bahan baku yang biasanya digunakan pada proses sulfonasi adalah senyawa aromatik seperti benzene dan turunannya, naftalen dan turunannya, antraquinon dan turunannya; senyawa alifatik dan turunannya seperti alkohol, eter. Agents yang digunakan untuk proses sulfonasi adalah : Grup Sulfur trioksida : 

Sulfur trioksida (SO3), oleum dan concentrated sulfuric acid (SO3 + water)



Chlorosulfonic acid (SO3 + HCl)



Sulfur trioksida yang digabungkan dengan senyawa organik

SO3-oleum-concentrated sulfuric acid memiliki kedekatan sifat fisik dan bisa saling menggantikan. Group sulfur trioksida (terutama oleum) merupakan agent utama yang digunakan untuk menghasilkan sulfonates secara langsung dengan bahan baku aromatik.

SO3 memiliki daya afinitas yang tinggi terhadap air. Bentuk hidrat dari SO 3 adalah oleum dan concentrated sulfuric acid. Monohidrat SO 3.H2O adalah 100% H 2SO4; dihidrat SO3.2H2O atau 84,5% H2SO4: dan pyrosulfuric acid 2SO3.H2O atau 45% oleum. SO3 merupakan bagian yang reaktif dalam oleum dan concentrated sulfuric acid (H2SO4 92-98%). Hidrat dari SO 3 pada suhu rendah berbentuk kristal, namun dengan kenaikan suhu akan semakin tidak stabil dan akhirnya pada suhu 450 0C akan terurai sempurna menjadi SO3 dan H2O. Perbandingan proses sulfonasi dengan menggunakan agent H 2SO4 dan Oleum ditunjukkan pada Tabel 2.1.

2


VIII-2

Tabel 2.1 Perbandingan proses sulfonasi dengan menggunakan agent H2SO4 dan Oleum Faktor

H2SO4

Oleum

Laju reaksi

Lambat

Cepat sekali

Membutuhkan panas untuk

Panas reaksi

menyempurnakan reaksi

Sangat eksotermis

Tahap reaksi

Sebagian

Sempurna

Sisa asam

Berarti

Tidak ada

Ukuran reaktor

Berarti

Minimum

Viskositas campuran reaksi

Rendah

Kelarutan dalam pelarut

Sangat rendah

Tinggi pada beberapa kasus Larut

organik halogen

Persamaan reaksi sulfonasi senyawa aromatik RH keseluruhan jika menggunakan agent oleum adalah : H2SO4 RH + SO3

RSO3H + H2SO4

Kinetika reaksi sulfonasi jika menggunakan agent oleum adalah : Rate = k 2 [ArH][SO3] Kecepatan reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi bahan baku (ArH) dan konsentrasi SO3.

Sedangkan persamaan reaksi sulfonasi senyawa aromatik jika menggunakan agent concentrated sulfuric acid (H2SO4 pekat) adalah : RH + H2SO4

RSO3H + H2O

Kinetika reaksi sulfonasi pada pemakaian agent concentrated sulfuric acid (H2SO4 pekat) adalah : Rate = k 2 [ArH]/[w]2 Karena dihasilkan H2O di akhir proses maka kecepatan reaksi berbanding terbalik dengan kuadrat konsentrasi air, sehingga kecepatan reaksi akan berkurang secara berarti.

3


VIII-2

Sulfonasi senyawa hidrokarbon aromatik merupakan salah satu jenis sulfonasi yang paling penting. Pada proses sulfonasi senyawa aromatik dengan menggunakan sulfonating agent concentrated H2SO4 merupakan reaksi endoterm. Sulfonasi anilin, berlangsung pada temperatur 180 – 195oC sehingga akan sulit jika diaplikasikan pada skala laboratorium, sementara untuk proses sulfonasi naftalen menggunakan concentrated H2SO4 dapat berlangsung pada temperatur kurang dari 50oC dengan tekanan 1 atm. Naftalen merupakan salah satu senyawa yang cukup aman digunakan jika dibandingkan senyawa hidrokarbon aromatik lainnya. Oleh karena itu, reaksi sulfonasi naftalen merupakan reaksi sulfonasi yang cocok dan aman diterapkan di laboratorium Satuan Proses Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung.

Reaksi sulfonasi naftalen menjadi α-naftalen sulfonat dengan menggunakan sulfonating agent concentrated H2SO4 merupakan reaksi substitusi elektrofilik yang berlangsung pada temperatur operasi yang lebih rendah dibandingkan dengan reaksi sulfonasi naftalen menjadi β-naftalen sulfonat (Groggins, 1958). Struktur α-naftelan sulfonat dan (b) β-naftalen sulfonat disajikan pada Gambar 2.1

Gambar 2.1 (a) α-naftelan sulfonat dan (b) β-naftalen sulfonat Mekanisme Reaksi Sulfonasi Naftalen

Mekanisme reaksi sulfonasi dengan sulfonating agent concentrated H2SO4 diawali dengan pembentukan elektofilik (SO 3). Pada tahap ini terjadi penguraian asam sulfat. 2 4 ↔ 3  3 +  4 −

Pada tahap selanjutnya, terjadi proses penyerangan senyawa naftalen oleh elektrofilik yang terbentuk (Solomons, 1978).

4


VIII-2

H

+

SO3-

SO3

H SO3-

SO3-

+ HSO4-

+ H2SO4

SO3H

SO3-

+ H3O+

+ H2O

Reaksi secara keseluruhan : SO3H

+

H2SO4

+ H2O

Naftalen (C10H8)

α-naftalensulfonat

C1 H  H SO4 → C1 H SO3  H O

Faktor-faktor yang mempengaruhi Sulfonasi

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses Sulfonasi : 1.

Konsentrasi SO3 pada Sulfonating Agent dalam reaktor Proses sulfonasi dapat berlangsung dengan baik tergantung pada konsentrasi

SO3 dalam sulfonating agent yang digunakan. Reaksi sulfonasi menggunakan sulfonating agent H2SO4 akan menghasilkan air sebagai produk sampingnya. Terbentuknya air selama proses, akan menurunkan konsentrasi asam yang akan menyebabkan kecepatan reaksi sulfonasi menurun, saat kandungan SO 3 habis, reaksi akan terhenti. Konsentrasi SO3 minimum yang diperlukan agar reaksi sulfonasi tetap berlangsung didefinisikan sebagai π. Persamaan yang menyatakan kebutuhan asam untuk mensulfonasi 1 mol senyawa organik diuraikan pada persamaan (1).

5


 1

= 80  (   80)

π

1

atau

X = 80

1− π − π

VIII-2

. . . . . . . . . . . . . (1)

Dengan X adalah berat asam dalam gram dan α adalah banyaknya SO 3 dalam H2SO4 dalam persen. Setiap senyawa organik memiliki nilai π yang berbeda-beda seperti yang ditunjukkan Tabel 2.2. Semakin mudah suatu bahan organik disulfonasi semakin rendah nilai π nya (Groggins, 1958).

Tabel 2.2 Nilai π beberapa senyawa organik Nilai π

Persen H2SO4

Naphtalenene (monosulfonation at 60oC)

56

68,5

Naphtalenene (monosulfonation at 160oC)

52

63,7

79,8

97,3

82

100,1

Naphtalenene (trisulfonation at 160oC) Nitrobenzenae (monosulfonation)

2. Temperatur Operasi Proses sulfonasi naftalen membentuk 2 jenis naftalen sulfonat, yaitu α dan β-naftalen sulfonat. Kedua jenis naftalen sulfonat tersebut berbeda pada penempatan gugus – SO3H pada naftalennya. Pengaruh temperatur terhadap pembentukan naftalen sulfonat dan distribusi pembentukan α dan β-naftalen sulfonat disajikan pada Gambar 2.2 dan Tabel 2.3.

Gambar 2.2 Pembentukan Naftalen Sulfonat pada Temperatur Berbeda

6


VIII-2

Tabel 2.2 Pengaruh Temperatur terhadap Sulfonasi Naftalen (Groggins, 1958) Temp (oC)

80

90

100

110,5

124

129

138,5

150

161

Alpha, (%)

91,0

90,0

83,0

72,6

52,4

44,4

28,4

18,3

18,4

Beta (%)

9,0

10,0

17,0

27,4

47,6

55,6

71,6

81,7

81,6

Pada temperatur rendah, reaksi dikendalikan oleh faktor kinetika atau faktor cepatlambatnya reaksi. α-naftalen sulfonat akan lebih cepat terbentuk pada kondisi ini karena reaksi berlangsung pada jalur energi aktivasi yang lebih rendah. Reaksi yang berlangsung pada temperatur yang lebih tinggi akan dikendalikan oleh faktor termodinamika atau faktor kestabilan produk. Pada kondisi ini reaksi akan menghasilkan β-naftalen sulfonat yang lebih stabil meskipun memiliki energi aktivasi yang lebih tinggi (Weininger, 1984). 11 III.

RANCANGAN PERCOBAAN

3.1.

Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan tertera pada Tabel 3.1 Tabel 3.1 Alat dan Bahan yang Digunakan Alat Nama Alat

Jumlah

Nama Alat

Jumlah

Gelas Kimia 1000 ml

2 buah

Waterbath

1 buah

Erlenmeyer 250 ml

2 buah

Erlenmeyer 50 ml

5 buah

Hot Plate

1 buah

Bola Hisap

1 buah

Pipet Ukur 25ml

1 buah

Kaca arloji

5 buah

Pipet Ukur 10ml

1 buah

Kertas Saring

2 lembar

Pipet Ukur 1 ml

1 buah

Thermometer

1 buah

Stirer Magnetik

2 buah

Pipet tetes

2 buah

Statif dan Klem

2 pasang

Botol semprot

2 buah

Corong Buchner

1 buah

Gelas ukur 50 ml

1 buah

Selang Silikon

1 buah

Digital Melting Point

1 unit

Batang Pengaduk

1 buah

Neraca Analitis

1 unit

Buret

1 buah

Sarung tangan karet

Kondensor

1 buah

7

2 pasang


VIII-2

Bahan Nama Bahan

Jumlah

Nama Bahan

Naftalen p.a/teknis

10 gram

H2SO4 98%

6 mL

NaOH teknis

10 gram

Diklorometan teknis

3.2

Jumlah

Etanol 96 %

30 mL

Aquades

100 ml

Indikator PP

10 mL

30 mL

Prosedur Percobaan

1. Massa naftalen yang digunakan 10 gram 2. Konsentrasi H2SO4 98 %, 6 ml 3. Volume pelarut diklorometana 30 ml 4. Temperatur reaksi 700C 5. Pengadukan dilakukan pada kecepatan sama pada setiap run (40-50 rpm). 6. Waktu reaksi selama 60 menit 7. Reaksi

sulfonasi

dilakukan

dalam

reaktor

erlenmeyer

dengan

menggunakan penangas air. Proses reaksi sulfonasi naftalen dilakukan secara batch di dalam erlemeyer dengan menggunakan penangas air. Bahan baku naftalen yang digunakan sebanyak 10 gram untuk setiap run. Bahan baku naftalen dilarutkan terlebih dahulu kedalam pelarut diklorometana sebanyak 30 mL yang kemudian ditambahkan sulfonatig agent asam sulfat 6 ml ketika telah mencapai temperatur operasi. Proses sulfonasi berlangsung selama 60 menit.

Produk

yang

dihasilkan

dari

proses

sulfonasi

ini

berupa

senyawa

α-naftalen sulfonat yang masih mengandung pengotor berupa sisa – sisa asam dan sisa bahan baku yang tidak bereaksi. Proses pemurnian dilakukan dengan cara melarutkan produk ke dalam larutan etanol untuk memurnikan produk dari sisa bahan baku yang tidak bereaksi, sedangkan proses pemurnian dari sisa asam dilakukan dengan cara melarutkan produk ke dalam air panas. Setelah itu produk disaring kemudian dicuci kembali dengan aquades sebanyak 100 mL dan etan ol 30

8


VIII-2

mL untuk mengikat air pencuci. Produk kemudian dikeringkan didalam desikator. Diagram alir proses disajikan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Flowsheet Percobaan

9


VIII-2

Desain Reaktor

Desain reaktor yang digunakan untuk proses sulfonasi naftalen berupa reaktor sederhana, menggunakan labu erlemeyer dan gelas kimia sebagai penangas dan dilengkapi magnetik stirrer sebagai pengaduk, untuk mengukur temperatur digunakan termometer air raksa. Selama proses sulfonasi berlangsung labu erlemeyer ditutup menggunakan kondensor untuk menghindari penguapan pelarut selama reaksi berlangsung. Gambar desain reaktor disaji kan pada Gambar 3.2. Keterangan : 1. Hot Plate 2.

Gelas Kimia

3.

Labu Erlemeyer

4. Magnetic Stirrer

A.

5.

Kondensor

6.

Statif

7.

Selang

8.

Waterbath

Gambar 3.2 Desain Reaktor Sulfonasi Naftalen Metode Analisis Produk

Produk α-naftalen sulfonat yang sudah terbentuk dan dilakukan proses pemurnian akan dianalisis sebagai berikut : 1.

Pengukuran titik leleh menggunakan alat digital melting point apparatus Elektrothermal.

2.

Berat kering produk. Produk α-naftalen sulfonat diukur berat keringnya dengan metode gravimetri.

3.

Analisis sisa asam dengan metode titrasi menggunakan NaOH dan indikator phenolpthalein.

10


VIII-2

3.3 Tabel Data Pengamatan

Hasil pengamatan percobaan disajikan pada Tabel 3.2 Tabel 3.2 Hasil Pengamatan H2SO4 diklrorometana

Naftalen

Etanol

Naftalen sulfonat

Berat Molekul (gr/mol) Volume (ml) Konsentrasi (mol/liter) Massa (gr)

IV.

PENGOLAHAN DATA

1.

Bandingkan titik leleh naftalen sulfonat yang terbentuk pada percobaan ini dengan literatur.

2.

Hitung

massa

senyawa

naftalen

sulfonat

yang

terbentuk

secara

stiokiometris/teoritis. 3. 4.

Hitung Persentasi Yield/rendemen menggunakan persamaan : Persentasi Hasil =

(Massa senyawa naftalen sulfonat) percobaan

x 100%

(Massa senyawa naftalen sulfonat )teoritis

V.

KESELAMATAN KERJA

1.

Gunakan jas lab dan penutup hidung. Praktikum dilakukan di lemari asam.

2.

Pemasangan selang silikon yang tersambung pada kondenser dan penutup reaktor harus rapat dan ketat untuk mencegah air menetes .

3.

Gunakan sarung tangan karet setiap menangani asam sulfat pekat (Concentrated ) karena bersifat korosif. Gunakan peralatan gelas yang kering dan bersih. Penanganan asam sulfat dilakukan terakhir setelah semua rangkaian peralatan siap digunakan. Peralatan bekas asam sulfat segera dicuci setelah digunakan dengan air mengalir agar tidak mengenai rekan kerja.

11


VIII-2

DAFTAR PUSTAKA

1.

Fessenden, R. and Fessenden, J., 1982 .,”Organic Chemistry”, 2 nd Edition, Willard Grant Press Publisher, Massachusetts, USA.

2.

Groggins, P. H., “Unit Processes in Organic Synthesis”, fifth Edition, International Student Edition, Mc. Graw – Hill Kogakusha, Ltd.

3.

Hart Harold, Terj. Achmadi Suminar, “Kimia Organik, Suatu Kuliah Singkat”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1987.

4.

Rahman Dede Dini & Neng Sri Widianti, Optimasi Sulfonating Agent H 2SO4 dan

Temperatur Operasi

Pada Sintesis Senyawa α-Naftalen

Sulfonat , Tugas Akhir D3- Teknik Kimia, Politeknik Negeri Bandung, 2015.

12

Modul Viii Sulfonasi Naftalen

Recommend Documents