BAB I
PENDAHULUAN
I.1.
Tujuan
Minimisasi energi konformasi butana dengan menggunakan medan gaya (Force Field) MM+.
I.2.
Latar Belakang
Pada saat ini
ribuan bahkan jutaan senyawa telah ditemukan oleh para ahli kimia, baik senyawa
alam maupun hasil sintesis di laboratorium. Untuk senyawa dari alam seperti
senyawa-senyawa organik yang ditemukan dengan jalan mengisolasi, memurnikan dan
menentukan struktur molekulnya. Sedangkan untuk senyawa-senyawa hasil sintesis
di laboratorium, baik senyawa organik maupun anorganik, sebelumnya dibutuhkan
hipotesis yang sangat kuat untuk meramalkan apakah senyawa tersebut dapat
disintesis atau tidak serta untuk menentukan struktur molekulnya. Proses-proses
untuk penemuan ini membutuhkan biaya yang sangat besar dalam kurun waktu yang
cukup lama bahkan bisa bertahun-tahun lamanya dan tidak sedikit yang mengalami
kegagalan (Allinger,1993).
Berdasarkan kondisi di atas
ahli kimia telah memperkenalkan ilmu kimia komputasi yang merupakan suatu
metode berbasis komputer. Metode komputasi merupakan salah satu pilihan dalam
melakukan penelitian-penelitian terhadap struktur kimia. Dengan kimia komputasi
ini para ahli dapat meramalkan suatu senyawa dapat disintesis atau tidak dalam
waktu yang cepat dengan biaya yang relatif murah.
Dalam kimia
komputasi, energi minimisasi (juga disebut optimasi energi
atau optimasi geometri) merupakan metode yang digunakan untuk menghitung
konfigurasi keseimbangan molekul dan padatan. Keadaan stabil dari sistem
molekuler sesuai dengan minimum global dan lokal pada permukaan energi potensial . Mulai dari equilbrium non-geometri
molekul, minimisasi energi menggunakan prosedur matematika dari optimasi untuk memindahkan atom sehingga dapat
mengurangi gradien dari energi potensial pada atom sampai mereka diabaikan. Minimisasi energi
mengubah geometri dari molekul ke energi yang lebih rendah dari suatu sistem dan untuk
menghasilkan konformasi yang lebih stabil. Selama berlangsungnya minimisasi,
akan dicari suatu strukur molekul yang tidak mengalami perubahan energi jika geometri molekul diubah dengan besaran
tertentu. Hal ini berarti bahwa turunan dari energi sebagai fungsi koordinat
kartesian yang sering disebut gradient berharga nol. Keadaan ini disebut
sebagai titik stasioner pada permukaan energi potensial.
Jika perubahan kecil pada
parameter geometri akan menaikkan energi molekul, konformasi relatif stabil dan posisi ini dinamakan dengan
minimum. Jika energi lebih rendah dengan perubahan kecil pada satu atau lebih
dimensi tertentu, tetapi tidak pada semua dimensi, dinamakan saddle point. Sistem molekul dapat
mempunyai beberapa keadaan minimum. Satu dari keadaan minimum yang paling
rendah energinya disebut energy global dan keadaan yang lain dinamakan dengan
minimum lokal. Dengan perhitungan energi untuk 6 titik stasioner dari butana, dapat dibandingkan harga energi untuk
menentukkan konformasi energi pada minimum global.
I.3.
Tinjauan Pustaka
I.3.1. HyperChem
HyperChem adalah program simulasi dan pemodelan molekular untuk melakukan
perhitungan kimia kompleks. HyperChem menyediakan fasilitas sebagai berikut: 1)
Menggambar suatu molekul dan pembuatan model tiga dimensi (3D), 2) Struktur
bangun protein dan asam nukleat dari residu standar. 3) Penentuan efek isotop
dalam perhitungan analisis vibrasi dengan metoda semi-empirik dan ab initio.
4) Grafik dari hasil perhitungan kimia. 5) Perhitungan mekanika molekular
dan mekanika kuantum (dengan metoda semi empiris dan ab anitio).
Disamping itu tersedia pula data base dan program simulasi Montecarlo dan
molecular dynamics (MD).
HyperChem juga mempunyai fasilitas‑fasilitas berupa tool yang
disebut The Chemist's Developer Kit (CDK). Dengan tool ini para
Kimiawan dapat dengan cepat mengkonstruksi suatu interface antara
HyperChem dan program software Kimia lainnya serta fasilitas untuk membuat struktur
kristal (crystal builder), molecular presentations, sequence editor, struktur
penyusun gula, conformational search, QSAR properties dan script editor.
HyperChem menyediakan beberapa metoda perhitungan, yaitu:
·
MM+, AMBER, BIO+,
dan OPLS force fields untuk perhitungan-perhitungan (mekanika molekuler).
· Extended Huckel, CNDO, INDO, MINDO3, MNDO, AM1, PM3,
ZINDO/1 ZINDO/S semi‑empiris, dan ab initio perhitungan (quantum
mechanics).
HyperChem dapat
menggabungkan perhitungan-perhitungan mekanika molekuler dengan semi empiris
atau ab initio mekanika kuantum untuk sistem molekuler (Allinger, 1996).
I.3.2. Kimia Komputasi
Dengan
HyperChem kita dapat mengeksplorasi model energi permukaan potensial secara
klasik atau kuantum dengan single point, optimasi geometri atau perhitungan
dalam mencari keadaan transisi, selain itu kita dapat juga mempelajari pengaruh
gerakan termal dengan molecular dynamics, Langevin dynamic atau simulasi
Metropolis Monte Carlo.
I.3.3. Jenis Perhitungan
Terdapat
beberapa tipe perhitungan, antara lain kalkulasi single point, optimasi
geometri, frekuensi vibrasi, pencarian keadaan transisi, simulasi dinamika
molekuler, simulasi dinamika Langevin dan simulasi Monte Carlo.
1.
Perhitungan single
point dapat digunakan untuk menentukan energi molekul dari struktur yang
ditentukan (tanpa proses optimasi)
2.
Perhitungan optimasi
geometri menggunakan algoritma minimasi energi untuk mendapatkan struktur
paling stabil. tersedia 5 algoritma minimasi.
3.
Perhitungan frekuensi
vibrational dimaksudkan untuk mencari mode vibrasi normal dari suatu struktur
teroptimisasi. Spektrum teroptimasi dapat ditampilkan dan gerakan vibrasi yang
berkaitan dengan transisi spesifik dapat dianimasikan.
4.
Pencarian keadaan
transisi dilakukan dengan menentukan struktur metastabil yang bersesuaian
dengan keadaan transition menggunakan metode Eigenvector Following atau
Synchronous Transit. Sifat-sifat molekulernya kemudian dapat dihitung, dua
metode untuk melokasikan keadaan transisi diimplementasikan di dalam HyperChem
I.3.4. Butana
Butana adalah senyawa alkana dengan rumus molekul C4H10
yang mempunyai 2 isomer (2 struktur) yaitu n-butana dengan rumus struktur CH3-CH2-CH2-CH3,
dan isobutana (atau 2-metil-propana) dengan rumus struktur CH3-CH(CH3)-CH3.
Keduanya merupakan gas tak berwarna, dapat dicairkan dan mudah terbakar. Butana
ditemukan di alam sebagai komponen dalam minyak bumi dan gas alam. Butana digunakan
sebagai bahan bakar. Selain itu, senyawa
n-butana digunakan sebagai bahan mentah pada industri karet
sintetik di samping sebagai bahan pendingin dan propelan aerosol.
Butana
memiliki titik leleh = -138,4 °C ; titik didih= -0,5°C ; massa jenis = 0,60
g/cm3 (pada 10°C) ) untuk n-butana dan titik leleh = -159,4 °C ;
titik didih= -11,7°C ; massa jenis = 0,55 g/cm3 (pada 10°C) untuk
isobutana.
Struktur
isomer dari butana
I.3.5. Konformasi
Dalam kimia, konformasi adalah sebuah bentuk
stereoisomerisme dari molekul-molekul dengan rumus struktural yang sama namun
konformasi yang berbeda oleh karena rotasi atom pada ikatan kimia. Konformer
yang berbeda dapat saling berubah dengan melakukan rotasi pada ikatan tunggal tanpa
memutuskan ikatan kimia. Keberadaan lebih dari satu konformasi, biasanya dengan
energi yang berbeda, dikarenakan oleh rotasi hibridisasi orbital sp3 atom
karbon yang terhalang. Isomerisme konformasi hanya terjadi pada ikatan tunggal
karena ikatan rangkap dua dan rangkap tiga mempunyai ikatan pi yang menghalangi
rotasi ikatan.
Perbandingan stabilitas konformer-konformer yang
berbeda biasanya dijelaskan dengan perbedaan dari kombinasi tolakan sterik dan
efek elektronik. Contoh yang sederhana terlihat pada molekul butana yang
dilihat dengan menggunakan proyeksi Newman seperti pada gambar di atas. Rotamer
adalah konformer yang berbeda hanya pada rotasi ikatan tunggal. Sawar rotasinya
adalah energi aktivasi yang diperlukan untuk berubah dari satu konformer ke
konformer lainnya.
I.3.6. Konformer butana
Terdapat
dua bentuk isomerisme konformasi yang penting:
1. Konformasi
alkana linear, dengan konformer anti, tindih, dan gauche.
2. Konformasi
sikloheksana, dengan konformer kursi dan perahu.
Contoh lain dari isomerisme
konformasi adalah pelipatan molekul, di mana beberapa bentuk pelipatan stabil
dan fungsional, namun yang lainnya tidak. Isomerisme konformasi juga terlihat
pada atropisomer. Konformasi tidak hanya berlaku pada strruktur alifatik tetapi
juga pada struktur siklik. Yang menarik dari konformasi struktur siklik dapat
di pelajari dari model molekul sikloheksana. Dua konformasi ekstrem yang dapat
dibuat adalah konfromasi kursi dan konformasi perahu.
I.4.
Prosedur Kerja
a.
Pemilihan
medan gaya
Sebelum menggambarkan dan menjalankan optimasi dengan
mekanika molekular, kita harus memilih medan gaya mekanika molekular yang
tersedia pada program HyperChem. Medan gaya berisi jenis atom dan parameter
yang harus ditandakan pada molekul sebelum kita menjalankan perhitungan
mekanika molekular. Sebagai contoh, kita memilih madan gaya MM+.
Untuk memilih medan gaya (1) pilih Molecular Mechanics pada menu Setup,
(2) jika kotak dialog muncul, pilih MM+.
b.
Menggambar
Butana
Bentuk butana pertama yang harus dibuat adalah bentuk
eklips yaitu sudut dihedral CCCC sebesar 0o. Untuk membuat bentuk
eklips dilakukan langkah sebagai berikut :
1.
Atur Default Element pada karbon dan dapatkan
dalam mode Draw.
2.
Atur level pilihan
pada atoms.
3.
Pilih Labels pada menu Display dan beri label atom dengan nomor.
4.
Yakinkan bahwa Explicit Hydrogens pada keadaan tidak
aktif (pada menu Build).
5.
Gambarkan strukur
2D dengan mengklik dan menggeser sedemikian hingga keempat karbon terhubungkan.
6.
Pilih Add H & Model Bulid pada menu Build
Model Builder akan membentuk konformasi anti
dari butan sebagai struktur default
dengan sudut dihedral CCCC sebesar 180o. Kita ingin mengubahnya
menjadi sudut 0o dengan cara berikut:
7.
Kembali ke dalam
mode Selection.
8.
Yakinkan bahwa Multiple Selection dalam keadaan aktif.
9.
Pilih sudut torsi
4-atom dengan memilih ikatan dengan urutan 1-2, 2-3, dan 3-4.
10.
Pilih pengaturan Bond Torsion pada menu Build, dan atur Bond Torsion pada 0o dan tekan OK.
11.
R-klik pada area
yang kosong pada bidang kerja.
12.
Klik ganda pada Selection sebagai ganti dari Model Builder. Hyperchem akan
menentukkan struktur baru dengan Bond
Torsion sesuai yang telah ditentukkan.
c.
Optimasi
struktur
Langkah berikutnya adalah meminimisasi struktur dengan
menjalankan optimasi mekanika molekular dengan melakukan langkah berikut:
13.
Pilih Compute.
14.
Pilih Single Point.
15.
L-klik pada OK
untuk menutup kotak dialog dan memulai perhitungan.
Perhitungan
dimulai dan informasi tentang molekul akan muncul di baris status. Setelah
beberapa menit, program akan selesai. Catat energy dengan melakukan perhitungan
Single Point pada struktur yang telah
tergambar. Perhitungan ini akan memberikan energi molekul tanpa optimasi dengan
sudut ikatan dihedral eksak. Ukur sudut dihedral CCCC dan catat hasilnya.
16.
Optimasi struktur
dengan memilih Compute dan kemudian Geometry Optimization.
17.
L-klik pada OK
untuk memulai perhitungan. Catat energi teroptimasi dan sudut ikat dihedral
CCCC. Cetak struktur dan lampirkan pada lembar laporan.
18.
Kembali ke langkah
9 dan ulangi proses untuk sudut ikat dihedral 60o, 120o,
180o, 240o, dan 300o. Lengkapi lembar jawaban
yang tersedia.
BAB II
HASIL DAN PEMBAHASAN
II.1. Hasil Percobaan
II.1.1. Data Hasil Percobaan
Dari perhitungan optimasi geometri yang dilakukan
terhadap sistem yang diamati, didapatkan hasil perhitungan optimasi geometri berupa energi
single point, sudut dihedral, energi teroptimasi dan sudut dihedral teroptimasi
yang dapat dilihat dalam tabel berikut
ini:
II.2. Pembahasan
Dari
tabel data hasil percobaan di atas dapat dilihat bahwa perbandingan energi single point dengan energi geometri
optimasi dalam setiap kasus perbedaannya tetap ada. Untuk sudut dihedral 00,
energi single point sebesar 18,823595
kkal/mol. Sedangkan pada energi teroptimasi energinya sebesar 6,900749
kkal/mol. Untuk sudut 60-120 besar energi single point tidak terlalu
signifikan tidak sama dengan sudut 180, dan pada sudut 240-300 energinya hampir
sama dan tidak terjadi perbedaan yang signifikan. Fakta ini sangat
diharapkan. Gambar proyeksi Newman
butana sebagai berikut:
Teori atom karbon tetrahedral
dan struktur benzene memberikan fondasi teori struktur senyawa organik. Namun, van’t Hoff dan kimiawan lain
mengenali bahwa masih ada masalah yang tersisa dan tidak
dapat dijelaskan dengan teori karbon tetrahedral. Masalah
itu adalah keisomeran yang disebabkan oleh adanya rotasi di sekitar ikatan tunggal.
Bila
rotasi di sekitar ikatan C-C dalam 1,2-dikloroetana CH2ClCH2Cl
terbatas sebagaimana dalam kasus
asam fumarat dan maleat, maka akan didapati banyak sekali
isomer. Walaupun van’t Hoff awalnya menganggap adanya kemungkinan seperti itu, ia akhirnya menyimpulkan bahwa rotasinya bebas (rotasi bebas) karena tidak
didapati isomer rotasional akibat batasan rotasi tersebut. Ia menambahkan
bahwa struktur yang diamati adalah rata-rata dari semua struktur
yang mungkin.
Di
tahun 1930-an dibuktikan dengan teori dan percobaan bahwa rotasi di sekitar
ikatan tunggal tidak sepenuhnya bebas. Dalam kasus etana, tolakan antara atom
hidrogen yang terikat di atom karbon dekatnya akan membentuk halangan bagi
rotasi bebas, dan besarnya tolakan akan bervariasi ketika rotasi tersebut
berlangsung. Gambar (a) adalah proyeksi Newman etana, dan Gambar (b) adalah
plot energi-sudut torsi.
Gambar: Analisis
konformasional
Dalam gambar (a)
(proyeksi Newman), Anda dapat melihat molekul di arah ikatan C-C. Atom karbon
depan dinyatakan dengan titik potong tiga garis pendek (masing-masing mewakili
ikatan CH) sementara lingkaran mewakili arom karbon yang belakang. Keseluruhan
gambar akan berkaitan dengan proyeksi molekul di dinding di belakangnya. Demi
kesederhanaan atom hidrogennya tidak digambarkan (b) Bila sudut torsinya 0°,
120°, 240° dan 360°, bagian belakang molekul “berimpitan” eclipsed dengan
bagian depan. Bila anda menggambarkan proyeksi Newman dengan tepat berimpit,
anda sama sekali tidak dapat melihat bagian belakang. Secara konvensi, bagian
belakang diputar sedikit agar dapat dilihat.
Bila sudut
rotasi (sudut torsi) 0°, 60°, 120° dan 180°, energi molekul kalau tidak maksimum
akan minimum. Struktur (konformasi) dengan sudut torsi 0° atau 120° disebut
dengan bentuk eklips, dan konformasi dengan sudut torsi 60°atau 180° disebut
bentuk staggered. Studi perubahan struktur molekular yang diakibatkan oleh
rotasi di sekitar ikatan tunggal disebut dengan analisis konformasional.
Analisis ini telah berkembang sejak tahun 1950-an hingga kini.
Analisis
konformasional butana CH3CH2CH2CH3
atas rotasi di sekitar ikatan C-C pusat, mengungkapkan bahwa ada dua bentuk
staggered. Bentuk trans, dengan dua gugus metil terminal di sisi yang
berlawanan, berenergi 0,7 kkal/mol lebih rendah (lebih stabil) daripada isomer
gauche yang dua gugus metilnya berdekatan.
Berikut adalah diagram energi untuk rotasi dari
suatu konformer dengan lainnya sebagai fungsi sudut dihedral.
Grafik Energi vs Sudut
dihedral
Untuk menghitung
meregangkan ikatan dan sudut ikatan kontribusi energi sterik, nilai acuan
ditugaskan untuk seluruh panjang ikatan struktur dan sudut, dan hukum Hooke
diterapkan pada penyimpangan dari nilai-nilai referensi. Demikian pula
kontribusi (atau dihedral) torsi timbul dari penyimpangan dari sudut dihedral
optimum (600 atau 1800 untuk sp berikat 3 karbon). Van
der Waals jangka mencerminkan (untuk setiap pasangan dari atom-atom non-terikat
dipisahkan oleh setidaknya tiga obligasi) potensi yang berkaitan dengan
perbedaan antara jarak interatomik dan jumlah jari-jari van der Waals. Istilah
elektrostatik dapat dihitung dengan menetapkan momen dipol ke semua obligasi
dan menghitung interaksi dipol ini menggunakan hukum Coulomb.
Satu fitur
biasanya dianggap asosiasi (sudut, jarak interatomik, dan polaritas ikatan)
dari struktur dioptimalkan dengan nilai-nilai setidaknya lima komponen energi sterik
struktur itu. Misalnya, jika ikatan antara sp3 karbon berbeda secara
signifikan dari 1,523 Å, istilah peregangan akan relatif tinggi. (Meskipun
istilah energi seperti "torsi tidak benar" atau "stretch
tikungan" (istilah salib) tidak setuju untuk jenis analisis ini,
istilah-istilah ini jarang memberikan kontribusi yang signifikan dengan energi
sterik yang relatif molekul sederhana.)
Struktur senyawa karbon terutama ditentukan
oleh keadaan hibridisasi atom karbon yang terlibat. Bila banyak konformasi
dimungkinkan oleh adanya rotasi di sekitar ikatan tunggal, konformasi yang
paling stabil akan dipilih.
Bila molekulnya memiliki sisi polar, faktor
lain mungkin akan terlibat. Interaksi tarik menarik antara sisi positif dan
negatif akan mengakibatkan struktur dengan halangan sterik terbesar lebih stabil.
BAB III
PENUTUP
III.1. Kesimpulan
Dari pendahuluan serta hasil dan pembahasan diatas, maka
dapat disimpulkan:
1.
Minimisasi energi merupakan metode yang digunakan
untuk menghitung konfigurasi keseimbangan molekul dan padatan .
2.
Untuk sudut dihedral 00,
energi single point sebesar 18,823595
kkal/mol. Sedangkan pada energi teroptimasi sebesar 6,900749 kkal/mol.
3.
Struktur (konformasi)
dengan sudut torsi 0° atau 120° disebut dengan bentuk eklips, dan
konformasi dengan sudut torsi 60°atau 180° disebut bentuk staggered.
III.2. Saran
Saran yang dapat praktikan
berikan untuk Laboratorium Kimia Komputasi, yaitu mohon kepada Kepala dan
Pengelola Laboratorium Kimia Komputasi agar pada praktikum selanjutnya untuk
dilengkapi komputer karena banyak yang mengalami kerusakan. Hal ini, tentu
mengakibatkan praktikan mengalami kesulitan pada saat praktikum
berlangsung.
DAFTAR PUSTAKA
·
Penuntun Praktikum Kimia Komputasi, Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Pattimura Ambon,
2015.
·
Arsyad, M. Natsir.2001.Kamus
Lengkap Kimia.Jakarta:Gramedia
·
Jensen,
Frank, 2007, Introduction to Computational Chemistry, John Wiley and
Sons Inc, New York.
·
Pranowo, Harno Dwi, 2001, Pengantar
Kimia Komputasi, Jurusan Kimia Fakultas MIPA UGM, Yogyakarta.
