Sintesis dan Karakterisasi Cairan Ionik Cis- Oleil Imidazolinium Tetrakloroferrat(III) Ahmad Sanusi, Ahmad Mudzakir, Iqbal Musthapa ABSTRAK

Transkripsi

1 Sintesis dan Karakterisasi Cairan Ionik Cis- Oleil Imidazolinium Ahmad Sanusi, Ahmad Mudzakir, Iqbal Musthapa ABSTRAK Penelitian yang dilakukan bertujuan mensintesis dan menghidrolisis cairan ionik cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii). Cairan ionik ini disintesis dengan metode padat-padat dari senyawa cis-oleil imidazolinium klorida dengan FeCl3.6H2O. Karakterisasi struktur, dilakukan dengan FTIR, Mass Spectroscopy dan XRF sedangkan untuk sifat fisikokimianya dikarakterisasi dengan SRV, Susceptibility Meter dan TG-DTA. Berdasarkan hasil SRV didapatkan nilai koefisien friksi sebesar 0,027 dengan ketahanan friksi selama 60 menit. Hasil susceptibility meter memberikan nilai suseptibilitas magnet sebesar 6,3 x 10-5 SI. Hasil uji TG-DTA menunjukkan titik dekomposisi material pada 230 C. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan tersebut, diharapkan bahwa cairan ionik ini dapat digunakan sebagai material pelumas media magnetik. Kata kunci: pelumas media magnetik, cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii), koefisien friksi, suseptibilitas magnetik, kestabilan termal. ABSTRACT Synthesized and characterized of ionik liquid in oleil and imidazolinium tetra chloro ferat was caried out. This material synthesized using solid-solid methode from cis-oleil chloride imidazolinium FeCl3.6H2O. Structure characterization, the material is characterized by FTIR, Mass Spectroscopy and XRF while for its physical-chemistry properties is characterized by SRV, Susceptibility Meter and TG-DTA. SRV results is obtaining that friction coefficient of the material is with resistance of friction for 60 minutes. The results of susceptibility meter give a magnetic susceptibility is amount 6.3 x 10-5 SI. TG-DTA test results show that material decomposition point at 230 C. The test results indicate that the material that has been synthesized is can be used as a lubricant for magnetic media. Keywords: magnetic media lubricants, cis-oleyl imidazolinium tetrakloroferrat(iii), the coefficient of friction, magnetic susceptibility, thermal stability. PENDAHULUAN Cairan yang hanya tersusun oleh ion-ion disebut cairan ionik (Hayashi dan Hamaguchi, 2004). Cairan ionik pada awalnya dikembangkan oleh para elektrokimiawan untuk digunakan sebagai elektrolit pada baterai atau untuk elektrodeposisi logam. Cairan ionik menjadi material penting dan menarik karena memiliki karakteristik tertentu seperti tekanan

2 uap dapat diabaikan, tidak mudah terbakar, stabilitas termal yang tinggi, titik leleh yang rendah, cairan memberikan rentang temperatur yang luas, dapat mengontrol daya campur dengan senyawa-senyawa organik. Cairan ionik telah digunakan pada berbagai bidang diantaranya sebagai elektrolit pada sel surya (Hard ian, 2009), biokatalis (Lee, 2007 ), elektrolit/sel bahan bakar (Brennecke, dan Maginn, 2001), dan fluida penghantar panas (Ye, et.al., 2001). Dalam konteks ini, cairan ionik alkil-imidazolium tetrafluoroborat telah dilaporkan memiliki sifat pelumas untuk kontak baja-baja, baja-aluminium, bajatembaga, baja-sio2, Si3N4-SiO2, baja- Si(100), baja-sialon keramik dan Si3N4-sialon keramik. Uji kinerja terhadap hal ini menunjukkan hasil penurunan friksi yang sangat baik, kinerja antiwear dan pengangkut beban berkapasitas tinggi (Ye C., Liu W., Chen Y., dan Yu L., 2001). Namun, pada aplikasi sebagai pelumas media magnet diperlukan material yang bersifat paramagnetik dikarenakan pelumas biasa seperti perfluoropolieter (PTFE) tidak dapat bekerja dengan baik pada media ini (Kondo, 2011). Dalam dekade ini, sintesis cairan ionik paramagnetik telah dilakukan oleh Hayashi dan Hamaguchi (2004) yang melaporkan bahwa [bmim]fecl4 memiliki kerentanan magnetik sebesar 40, emu g -1 dengan memanfaatkan kompleks spin tinggi yang dimiliki FeCl4 -. Penelitian yang dilakukan diarahkan untuk memanfaatkan sumber terbarukan lokal, yakni asam lemak dan memberikan nilai tambah terhadap sumber tersebut untuk dapat digunakan sebagai bahan pelumas pada media magnet. Bahan pelumas yang akan dikembangkan adalah cairan ionik berbasis garam fatty imidazolinium. Garam fatty imidazolinium ini dapat disintesis dari asam lemak (Bajpai dan Tyagi, 2008), sehingga dimungkinkan untuk mendapatkan garam ini dari sumber terbarukan lokal seperti minyak sawit dan minyak nabati lainnya. Penggunaan anion tetrakloroferrat(iii), FeCl4 - pada material baru ini diharapkan memiliki karakter tribologi yang handal untuk digunakan sebagai pelumas pada media magnet yang mampu mengurangi gesekan pada permukaan tiap piranti di dalam drive penyimpan data dimana terdapat suatu disc dan head yang berinteraksi secara magnetik dan terus bergesekan selama proses pembacaan atau penulisan informasi berlangsung. METODA PENELITIAN 1.Sintesis Cis- Oleil Imidazolin Sebanyak 20 mmol dietilenatriamina (DETA) dan 40 mmol cis- oleat dimasukkan ke dalam gelas kimia kemudian diaduk hingga merata. Campuran pereaksi diiridiasi menggunakan microwave pada daya 800 watt selama 30 detik. Campuran dipindahkan ke dalam labu dasar bulat leher tiga. Etilasetat ditambahkan sebanyak 80 ml dan campuran kemudian dipanaskan sampai mendekati titik didih etilasetat (40 o C) selama 30 menit. Larutan dipekatkan menggunakan rotatory evaporator.

3 2.Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Iodida Sebanyak 0,01 mol cisoleil imidazolin dilarutkan dalam metilen klorida dan dimasukkan ke dalam labu dasar bulat leher tiga. Ke dalam labu dasar bulat ditambahkan 0,02 mol metil iodida, selanjutnya campuran di refluks pada suhu konstan 40 o C sambil diaduk dengan magnetic stirrer selama 4 jam. Hasilnya dikeringkan dengan menggunakan rotatory evaporator pada suhu 80 o C. 3. Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Klorida Sebanyak 0,01 mol fatty imidazolinium iodida dimasukkan ke dalam labu erlenmeyer yang telah dibungkus oleh alumunium foil kemudian dilarutkan dalam 100 ml methanol dan ditambahkan 0,01 mol AgCl. Larutan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 2 jam. Hasil yang diperoleh didekantasi dan diuapkan pada lemari asam selama 3 hari. 4.Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Sintesis ini dilakukan dengan metode padat-padat tanpa menggunakan pelarut. Sebanyak 0,005 mol fatty imidazolinium dimasukkan ke dalam gelas kimia pyrex 25 ml dan ditambahkan dengan 0,005 mol besi(iii) klorida. Campuran diaduk selama 2 jam. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Sintesis Cis- Oleil Imidazolin Berdasarkan gambar 1, dapat diketahui cara mensintesis cisoleil imidazolin yaitu dengan mereaksikan asam cis- oleat dan dietilenatriamin dengan perbandingan mol 2 : 1 (Bajpai, et.al., 2008). Reaksi ini dilakukan di bawah irradiasi microwave untuk mereduksi penggunaan pelarut (Adijaya, 2011) dan memberikan hasil sebanyak 7,9 gram dengan perhitungan % randemen sebesar 64,24 %. Gambar 1 Reaksi Sintesis Cis- Oleil Imidazolin Gambar 2 Spektra FTIR Cis- Oleil Imidazolin Berdasarkan gambar 2, terdapatnya peak yang menjulur pada bilangan gelombang 3309,6 cm -1 menunjukkan hanya ada satu ikatan N-H yang diasumsikan telah terjadi ikatan antara asam oleat dan DETA. Selain itu, bilangan gelombang pada 1544,9 cm -1 menunjukkan ikatan

4 C=N yang diasumsikan telah terjadi siklisasi pada cincin imidazol. 2. Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Iodida Sintesis cisoleil imidazolinium iodida dilakukan dengan mereaksikan cisoleil imidazolin dan metil iodida dengan perbandingan mol 1:1,5 dan pelarut metilen klorida secukupnya. Metil iodida merupakan suatu agen pengkuartener yang sering digunakan karena antara metil dan iodida memiliki perbedaan keelektronegatifan yang cukup besar. Campuran direfluks pada suhu 40 o C (di bawah titik didih metilen klorida) sambil diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 4 jam. Campuran kemudian dievaporasi pada suhu 60 o C hingga terbentuk pasta. Gambar 3 Reaksi Metilasi Kuartenerisasi Cis- Oleil Imidazolin dengan Metil Iodida Apabila gambar 4 dan gambar 2 dibandingkan terlihat adanya perubahan pada beberapa peak, khususnya didaerah bilangan gelombang 1720 cm cm -1 dimana peak pada spektra cisoleil imidazolinium iodida cenderung bergeser ke bilangan gelombang yang lebih besar. Hal ini terjadi karena anion iodida memiliki kecenderungan untuk menarik elektron dari cisoleil imidazolinium. Selain itu, ditunjukkan juga dengan bergesernya bilangan gelombang ikatan C-N ke bilangan gelombang 1377 cm -1 yang menunjukkan telah adanya ikatan C- N baru. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa sintesis cisoleil imidazolinium iodida telah berhasil dilakukan. 3. Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Klorida Pada sintesis cisoleil imidazolinium klorida digunakan perak klorida sebagai agen pengganti anion dengan memanfaatkan prinsip Hard-Soft Acid-Base (HSAB) dimana Ag + yang termasuk acid soft akan lebih kuat apabila berikatan secara ionik dengan I - yang termasuk base soft. Gambar 5 Mekanisme Reaksi Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Klorida Gambar 4 Spektra FTIR Cis- Oleil Imidazolinium Iodida Perbandingan mol cisoleil imidazolin iodida dengan perak klorida adalah 1:1 dan pelarut metanol secukupnya. Cis- oleil

5 imidazolinium iodida dilarutkan dalam metanol secukupnya kemudian ditambahkan perak klorida dan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 3 jam tanpa pemanasan dan terhindar dari cahaya. Endapan berwarna kuning, perak iodida menandakan reaksi telah dilakukan. Campuran disaring, filtrat diuapkan pada suhu ruangan. Gambar 6 Spektra FTIR Cis- Oleil Imidazolinium Klorida Spektra FTIR cisoleil imidazolinium klorida pada gambar 4 dibandingkan dengan spektra pada gambar 6 dan terlihat terjadinya overlap bilangan gelombang. Hal ini menunjukkan tidak terjadinya perubahan gugus fungsi yang telah ada sebelumnya. berhasil juga mendukung hasil pengamatan sebelumnya dimana terdapat endapan berwarna kuning yang diasumsikan perak iodida. Hal ini menunjukkan reaksi pergantian anion telah terjadi. 4. Sintesis Cis- Oleil Imidazolinium Sintesis cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii) dilakukan dengan metode padatpadat, yakni dengan mencampurkan cisoleil imidazolinium klorida dan besi(iii) klorida tanpa menggunakan pelarut dengan perbandingan jumlah mol 1 : 1. Hasil yang diperoleh berupa pasta yang lebih encer dari cisoleil imidazolinium klorida dengan warna hitam kecoklatan (gambar 8). Gambar 8 Cis- Oleil Imidazolinium Karakterisasi Struktur Cis- Oleil Imidazolinium Gambar 7 Hasil Uji XRF Cis- Oleil Imidazolinium Klorida Berdasarkan gambar 7, terdapat data persentase unsur klorida didalam senyawa sebanyak 3,64 %. Hal ini menunjukkan bahwa reaksi penggantian anion telah Analisis FTIR (Fourier Transform Infra Red) Karakterisasi struktrur cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii) yang dilakukan menggunakan FTIR (Gambar 9) menunjukkan terdapatnya pergeseran bilangan gelombang diantara 1400 cm -1 dan 1750 cm -1 ke arah bilangan gelombang yang lebih kecil untuk

6 gugus fungsi yang sama dengan cisoleil imidazolinium klorida, hal ini diindikasikan terjadi karena adanya gangguan vibrasi dari anion kompleks FeCl4 - terhadap beberapa gugus fungsi yang terdapat pada cisoleil imidazolinium sehingga gugus fungsi tidak dapat bervibrasi pada bilangan gelombang yang semestinya. Gambar 9 Spektra FTIR Cis- Oleil Imidazolinium Analisis Spektroskopi Massa (Mass Spectroscopy) molekul 630,0885 gram/mol sebagai fraksi pada senyawa yang dibentuk. Analisis XRF (X-Ray Fluorescence) Berdasarkan gambar 11 didapatkan data % konsentrasi unsurunsur di dalam senyawa, yakni klorida sebanyak 13,306 %, besi sebanyak 6.88 % dan CH2 sebanyak 79,75 %. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa komposisi terbesar dari senyawa yang disintesis adalah senyawa karbon yang berasal dari rantai asam oleat dengan tambahan komposisi lain, klorida dan besi. Selain itu, untuk menganalisis adanya reaksi dilakukan perbandingan persentase keberadaan klorida dengan hasil uji XRF cisoleil imidazolinium klorida (Gambar 7) dan disimpulkan bahwa persentase klorida pada cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii) jauh lebih besar dibandingkan persentase klorida pada cisoleil imidazolinium klorida. Gambar 11 Hasil Uji XRF Cis- Oleil Imidazolinium Gambar 10 Spektra Massa Cis- Oleil Imidazolinium Analisis struktur yang menggunakan Mass Spectroscopy (MS) (Gambar 10 ) menunjukkan terbentuknya puncak pada bilangan massa 630 m/z. Data tersebut dapat diasumsikan adanya kation cisoleil imidazolinium yang memiliki massa Karakterisasi Fisikokimia Analisis SRV Menurut konsep tribologi, semakin kecil koefisien friksi yang dimiliki oleh suatu material maka semakin besar reduksi friksi yang dihasilkan dan sebaliknya. Semakin besar reduksi friksi yang dihasilkan dapat memperpanjang usia pemakaian alat. Tabel 1 menunjukkan bahwa cisoleil imidazolinium

7 tetrakloroferrat(iii) memiliki nilai koefisien friksi paling kecil. Hasil ini menyimpulkan bahwa senyawa tersebut memiliki kemampuan mereduksi friksi paling besar sehingga berpotensi digunakan sebagai bahan pelumas. Tabel 1 Perbandingan Nilai Koefisien Friksi dan Wear dari Cis- Oleil Imidazolinium dengan Pelumas Lainnya Senyawa Koefis ien friksi Wear (mm) Cis- oleil imidazoli nium tetrakloro ferrat(iii) Cis- oleil imidazoli nium iodida** ** Base oil* Perfluoro polyeter* * Proprieta ry oil* Standar grease** * Ket: *) Hargreaves D.J., 2006 **) Ye, C., et al., 2001 ***) ASTM D5707, 2006 ****) Kharisman, 2010 Ketaha nan friksi (menit) 0,027 1, ,078 0, , ,120 0, , ,115 0, Analisis Suseptibilitas Magnetik (Susceptibility Meter) Untuk menjadi pelumas media magnetik, diperlukan pelumas yang memiliki sifat paramagnetik agar dapat terjadi interaksi yang baik antara head dengan disc pada media magnetik. Tabel 2 menunjukkan bahwa respon cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii) terhadap medan magnet sebesar 6,3 ± 0,5 x 10-5 SI. Respon tersebut diasumsikan terjadi karena adanya 5 elektron tidak berpasangan yang dimiliki logam besi(iii). Pengaruh yang sangat besar diberikan oleh anion klorida yang merupakan ligan bermedan lemah. Ligan bermedan lemah merupakan ligan yang tidak memiliki kemampuan untuk mendesak elekton tidak berpasangan menjadi berpasangan. Oleh karena itu, dengan adanya anion klorida maka jumlah elektron tidak berpasangan pada besi(iii) tetap 5 elektron. Elektron-elektron yang tidak berpasangan tersebut dapat bergerak bebas untuk melakukan spin dan merespon dengan baik apabila terdapat rangsangan luar seperti medan magnet. Berdasarkan analisa tersebut dapat disimpulkan bahwa cisoleil imidazolinium tetrakloroferrat(iii) memiliki spin tinggi sehingga dapat merespon terhadap medan magnet. Tabel 2 Data Hasil Pengukuran Suseptibilitas Magnetik Pengukuran ke- KLF (x10-5 SI) 1 6,3 2 6,8 3 5,4 4 6,5 5 6,5 Rata-rata 6,3 Standar Deviasi 0,5

8 Analisis TG-DTA ( Termal Gravimetric-Differential Termal Analysis) Gambar 12 Kurva TG-DTA Cis- Oleil Imidazolinium Garis merah merupakan kurva yang menunjukkan perubahan massa (dalam %) terhadap suhu (TG, Termalgravimetric). Garis biru pada kurva menunjukkan perubahan energi terhadap suhu (DTA, Differential Termal Analysis). Titik dekomposisi diketahui dari kurva perubahan massa terhadap suhu (garis merah), dimana Td (titik dekomposisi) merupakan suhu ketika % massa berharga sekitar 50 % yakni pada suhu 230 C. Dengan demikian, senyawa ini akan bekerja optimum pada suhu dibawah 230 C. Apabila merujuk pada studi yang dilakukan oleh Fox, et. al. (1997) yang menyebutkan bahwa pelumas magnetik yang mengandung logam Fe akan beroperasi dengan baik pada suhu C, cisoleil imidazolinium ini dapat digunakan sebagai pelumas paramagnetik. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang dilakukan, cisoleil imidazolinium tetrakoroferrat(iii) memiliki titik dekomposisi pada suhu 230 C, koefisien friksi 0,0207 dan suseptibilitas magnetik sebesar 6,3 x 10-5 SI. Sehingga dapat disimpulkan bahwa cisoleil imidazolinium berpotensi digunakan sebagai pelumas media magnetik. DAFTAR PUSTAKA Adijaya, A. (2011). Fabrikasi dan Karakterisasi Material Gel Pemancar Cahaya Menggunakan Elektrolit Kristal Cair Ionik cis-oleil- Imidazolinium Iodida dan Emitter Ekstrak Tumbuhan. Program Studi Kimia, Jurusan Pendidikan Kimia, FPMIPA UPI, Skripsi. ASTM D (2006). Standard test Method for Measuring Friction and Wear Properties of Lubricating Grease Using a Highfrequency, Linear- Oscillation (SRV) Test Machine. ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, United States. Bajpai, D. dan Tyagi, V. K. ( 2008). Microwave Synthesis of Cationic Fatty Imidazolines and their Characterization. AOCS. Brennecke, J.F. dan Maginn, E.J. (2001). Ionic Liquids: Innovative Fluids for Chemical Processing. AICthe Journal, 47, 11, Fox, M., Picken, J., Symons, M. dan Thomson, A. (1997). Paramagnetic Species in I/C Engine Top Ring Zone Lubricant Samples. Tribologi International Vol. 30, No. 6. Pp , 1997.

9 Hardian, A. (2009). Sintesis dan karakterisasi kristal cair ionik berbasis garam fatty imidazolinium sebagai elektrolit redoks pada sel surya tersensitisasi zat warna. Program Studi Kimia, Jurusan Pendidikan Kimia, FPMIPA UPI, Skripsi. Hargreaves, D. J. Dan Tang, J. C. H.. (2006). Assesing Friction Characteristics of Liquid Lubricant. Tribotest 12(4):pp Hayashi, S. dan Hamaguchi, H. (2004). Discovery of Magnetic Ionic Liquid [bmim] FeCl4. Chemistry Letters Vol. 33, No. 12. Kharisman, R. A.. (2010). Kinerja Cairan Ionik Berbasis Kation Fatty Imidazolinium sebagai Bahan Pelumas. Program Studi Kimia, Jurusan Pendidikan Kimia, FPMIPA UPI, Skripsi. Kondo, H. (2011). Ionic Liquid Lubricant with Ammonium Salts for Magnetic Media. Applications of Ionic Liquids in Science and Technology. Lee, S., Ha, S., You, C., dan Koo, Y. (2007). Recovery of Magnetic Ionic Liquid [bmim]fecl4 Using Electromagnet. Korean j. Chem. Eng, 24(3), Ye, C., Liu, W., Chen, Y., dan Yu, L. (2001). Room-Temperature Ionic Liquids: a Novel Versatile Lubricant. Chem. Commun.