I. JUDUL
Percobaan 1 : Analisis Butana
II. TUJUAN
Minimisasi energy konformasi butane dengan menggunakan medan gaya (Force Field)MM+
III. DASAR TEORI
Butana (C4H10)
Butana, juga disebut n-butana, adalah alkana rantai lurus dengan
empat atom karbonCH3CH2CH2CH3. Butana juga digunakan sebagai istil ah kolektif untuk
n-butana dan satu-satunya isomernya, isobutana (disebut juga metilpropana), CH(CH3)3.
Butana sangat mudah terbakar, tidak berwarna, dan merupakan gas yang
mudah dicairkan. Nama butana diturunkan dari nama asam butirat. (Raymond Chang, 2005)
Perubahan energi potensial akibat rotasi ikatan C2-C3 pada butana : (McMurry, 2001)
Konformasi “anti” butana mempunyai energi potensial yang lebih rendah : (McMurry, 2001)
Isomersime konformasi adalah sebuah bentuk stereo isomerisme 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. Perbandi ngan 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. Rotamer adalah konformer yang berbeda hanya pada rotasi ikatan tunggal. Sawar rotasinya adalah energy aktivasi yang diperlukan untuk berubah dari satu konformer ke konformer lainnya. 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. (Fessenden, Ralph J., 2006) Proses peminimuman energi dilakukan dengan mengubah geometri molekular sistem menuju konformasi yang lebih stabil, yakni struktur molekular yang energinya relatif tidak berubah dengan perubahan sangat kecil pada geometri. Dengan kata lain, gradien (atau gaya), yaitu laju perubahan (turunan pertama) energi total terhadap perpindahan dalam arah x, y, atau z pada koordinat Cartesius, mendekati nol, yang dikenal sebagai titik stasioner pada permukaan energi potensial. Apabila konformasi yang stabil itu meningkat energinya akibat perubahan kecil pada parameter -parameter
geometrik, ia diacu sebagai minimum. Jika energi menurun oleh perubahan kecil pada satu atau lebih dimensi, tetapi tidak pada semua dimensi, ia merupakan titik pelana (saddle point). (Ade Suherman, 2010)
Sistem molekular dapat memiliki banyak minimum; yang energinya terendah disebut minimum global, sedangkan sisanya disebut minimum-minimum lokal. Dalam bab ini, Anda akan menghitung tiga titik stasioner untuk sikloheksana: kursi, perahu, dan biduk-belit. Pada setiap bentuk, dilakukan optimalisasi mekanika molekular, lalu energi mereka dibandingkan untuk menentukan konformasi dengan energi minimum global. (Ir. Sukirno, M.Eng., 2006)
IV. ALAT
Alat yang digunakan pada percobaan 1 : Analisis Butana yaitu menggunakan software Hyperchem.
V. BAHAN KAJIAN
Bahan kajian yang digunakan pada percobaan 1 : Analisis Butana yaitu Butana.
VI. CARA KERJA
a. Pemilihan Medan Gaya
Untuk memilih medan gaya MM+ pilih Molecular Mechanics pada menu Setup.
Jika kotak dialog muncul, pilih MM+.
b. Menggambar Butana
1. Atur Default Element pada Karbon dan dapatkan dalam mode Draw.
2. Gambarkan struktur 2D dengan mengklik dan menggeser sedemikian hingga keempat Karbon terhubungkan.
3. Pilih Add H & Model Build pada menu Build.
Model Builder akan membentuk konformasi anti dari butana sebagai struktur default dengan sudut dihedral CCCC sebesar 180o. Kita ingin mengubahnya menjadi sudut 0odengan cara berikut:
4. Kembali ke dalam mode selection.
5. Yakinkan bahwa multiple selection dalam keadaan aktif.
6. Pilih sudut torsi 4-atom dengan memilih ikatan dengan urutan 1-2, 2-3,dan 3-4.
7. Pilih pegaturan Set Bond Torsion pada menu Edit, dan atur Bond Torsion ada 0o dan tekan OK.
c. Optimasi Struktur
1. Pilih Compute, pilih Single Point
2. Klik OK untuk menutup kotak dialog dan memulai perhitungan.
3. Catat Energinya dan ukur sudut torsinya dengan mengklik ikatan atom C.
4. Menentukan Optimasi Struktur dengan memilih Compute dan kemudian Geometry Optimation. Kemudian untuk RMS Gradient adalah 0.01 kal/(A mol) dan 300 maximum cycle.
5. Klik OK untuk memulai perhitungan. Catat energi teroptimasi dan sudut ikat hedral CCCC.
6. Langkah-langkah penentuan Single Point dan Optimasi Struktur di ulangi prosesnya untuk sudut ikat dihedral 60o, 120o, 180o, 240o, dan 300o.
VII. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada percobaan 1 : Analisis Butana, menggunakan medan gaya (force field) MM+ karena MM+ biasa digunakan untuk keperluan umum, dan butane merupakan senyawa mikro, sehingga lebih tepat jika menggunakan MM+. Dari percobaan di peroleh konformasi-konformasi butana dalam tampilan hyperchem sebagai berikut :Sudut dihedral 0o:Single PointOptimation Energi
Sudut dihedral 60o :Single Point
Sudut Dihedral 60o :Single PointOptimation Energi
Sudut dihedral 120o :Single PointOptimation Energy
Sudut dihedral 180o :Single PointOptimation Energy
Sudut dihedral 240o :Single PointOptimation Energy
Sudut dihedral 300o :Single Point Optimation Energy
Dari hasil percobaan diperoleh data-data sebagai berikut:
Konformasi ButanaSudut Dihedral (o)Energi Single Point (kkal/mol)Sudut Dihedral (o)Energi Teroptimasi (kkal/mol)Sudut Dihedral Teroptimasi (o)
0 9,695470 0 8,591859 -5,36385e-005
60 3,296835 60 3,171470 59,934
120 5,232321 120 5,224217 119,886
180 2,150366 180 2,144270 -179,915
240 5,184565 -120 5,181360 -119,915
300 3,092747 -60 3,088271 -60,0836
Dari data percobaan konformasi butana terlihat bahwa energi teroptimasi selalu lebih rendah dari single point. Single point merupakan energi molekul dari struktur yang telah ditentukan tanpa mengalami proses optimasi yaitu energi dari struktur semula/apa adanya, sedangkan optimasi geometri merupakan minimisasi energi untuk mendapatkan struktur paling stabil yaitu setelah proses optimasi, sehingga akan merubah sudut
dihedral untuk memperoleh energi optimal dari struktur tersebut, namun perubahan sudut dihedral dari single point dan sudut dihedral teroptimasi tidak terlalu jauh, hal ini dimungkinkan agar tidak merubah konformasi struktur menjadi bentuk lain. Pada data sudut dihedral 240o, sudut torsi yang diperoleh adalah -120odan untuk 300osudut torsi yang diperoleh adalah -60o, hal ini dikarenakan perputaran sudut dari molekul tersebut searah jarum jam, dengan memperhatikan energi rentangan,energi bengkokan, energi torsi, dan energi interaksi tak-berikatan yang memungkinkan adanya gaya tolak-menolak dan tarik-menarik antar atom dari molekul tersebut mengakibatkan kemungkinan konformasi yang terjadi pada sudut 240odan 300operputarannya searah dengan jarum jam sehingga bernilai negative.Sudut Dihedral (o) Proyeksi NewmanEnergi Teroptimasi (kkal/mol)Energi eksp. (kkal/mol)
0 8,591859 4,54110899
60 3,171470 0,908221797
120 5,224217 3,82409178
180 2,144270 0
240 5,181360 3,82409178
300 3,088271 0,908221797
Energi teroptimasi MM+ dibandingkan dengan data eksperimental yaitu dari McMurry terlihat perbedaan, energy teroptimasi MM+ lebih besar dari data eksperimental, namun selisih tiap data hampir sama/konsisten. Pada sudut dihedral 0oterlihat perbedaan yang signifikan, hal ini mungkin terjadi karena keterbatasan
kemampuan alat untuk menghitung energi yang diperoleh.Berikut adalah diagram energi untuk rotasi dari satu conformer dengan yang lainnya sebagai fungsi sudut dihedral. Garis biru merupakan diagram energi dari data percobaan, dan garis merah merupakan diagram data eksperimen dari McMurry. Dari diagram di atas menunjukkan selisih yang cukup konsisten dari setiap data. Konformasi yang memiliki energyminimum yaitu konformasi staggered yang memiliki sudut dihedral 180o, dan konformasi yang memiliki energy maksimum adalah konformasi eclipse dengan sudut dihedral 0o.
Hal ini dimungkinkan karena pada sudut dihedral 0o, energi yang di hasilkan adalah yangpaling besar, semakin besar energi yang dihasilkan semakin besar tolakannya sehingga semakin reaktif senyawa tersebut. Eclipse merupakan konformasi yang paling tidak stabil karena spesies sejenis terletak berdampingan sehingga tolakan electron yang dihasilkan akan sangat besar. Bentuk eclipse akan berotasi menjadi bentuk gauche dan kemudian menjadi bentuk yang paling stabil yaitu gauche.
VIII. KESIMPULAN
Konformasi Butana yang memiliki energy minimum adalah konformasi staggered dengan sudut dihedral 180o.
IX. DAFTAR PUSTAKA
Ade Suherman, 2010, Meminimumkan Energi Suatu Sistem, Departemen Kimia, Institut
Pertanian Bogor, Jawa Barat.
Fessenden, Ralph J., 2006, Kimia Organik Jilid 1 Edisi 3, Erlangga, Jakarta.
Ir. Sukirno, M.Eng., 2006, Pendahuluan : Kimia Organik 1, Tim Dosen Teknik Kimia, Fakultas
Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta.
Raymond Chang, 2005, Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti Jilid 1 Edisi 3, Erlangga, Jakarta.
Percobaan 1 : Analisis Butana
II. TUJUAN
Minimisasi energy konformasi butane dengan menggunakan medan gaya (Force Field)MM+
III. DASAR TEORI
Butana (C4H10)
Butana, juga disebut n-butana, adalah alkana rantai lurus dengan
empat atom karbonCH3CH2CH2CH3. Butana juga digunakan sebagai istil ah kolektif untuk
n-butana dan satu-satunya isomernya, isobutana (disebut juga metilpropana), CH(CH3)3.
Butana sangat mudah terbakar, tidak berwarna, dan merupakan gas yang
mudah dicairkan. Nama butana diturunkan dari nama asam butirat. (Raymond Chang, 2005)
Perubahan energi potensial akibat rotasi ikatan C2-C3 pada butana : (McMurry, 2001)
Konformasi “anti” butana mempunyai energi potensial yang lebih rendah : (McMurry, 2001)
Isomersime konformasi adalah sebuah bentuk stereo isomerisme 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. Perbandi ngan 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. Rotamer adalah konformer yang berbeda hanya pada rotasi ikatan tunggal. Sawar rotasinya adalah energy aktivasi yang diperlukan untuk berubah dari satu konformer ke konformer lainnya. 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. (Fessenden, Ralph J., 2006) Proses peminimuman energi dilakukan dengan mengubah geometri molekular sistem menuju konformasi yang lebih stabil, yakni struktur molekular yang energinya relatif tidak berubah dengan perubahan sangat kecil pada geometri. Dengan kata lain, gradien (atau gaya), yaitu laju perubahan (turunan pertama) energi total terhadap perpindahan dalam arah x, y, atau z pada koordinat Cartesius, mendekati nol, yang dikenal sebagai titik stasioner pada permukaan energi potensial. Apabila konformasi yang stabil itu meningkat energinya akibat perubahan kecil pada parameter -parameter
geometrik, ia diacu sebagai minimum. Jika energi menurun oleh perubahan kecil pada satu atau lebih dimensi, tetapi tidak pada semua dimensi, ia merupakan titik pelana (saddle point). (Ade Suherman, 2010)
Sistem molekular dapat memiliki banyak minimum; yang energinya terendah disebut minimum global, sedangkan sisanya disebut minimum-minimum lokal. Dalam bab ini, Anda akan menghitung tiga titik stasioner untuk sikloheksana: kursi, perahu, dan biduk-belit. Pada setiap bentuk, dilakukan optimalisasi mekanika molekular, lalu energi mereka dibandingkan untuk menentukan konformasi dengan energi minimum global. (Ir. Sukirno, M.Eng., 2006)
IV. ALAT
Alat yang digunakan pada percobaan 1 : Analisis Butana yaitu menggunakan software Hyperchem.
V. BAHAN KAJIAN
Bahan kajian yang digunakan pada percobaan 1 : Analisis Butana yaitu Butana.
VI. CARA KERJA
a. Pemilihan Medan Gaya
Untuk memilih medan gaya MM+ pilih Molecular Mechanics pada menu Setup.
Jika kotak dialog muncul, pilih MM+.
b. Menggambar Butana
1. Atur Default Element pada Karbon dan dapatkan dalam mode Draw.
2. Gambarkan struktur 2D dengan mengklik dan menggeser sedemikian hingga keempat Karbon terhubungkan.
3. Pilih Add H & Model Build pada menu Build.
Model Builder akan membentuk konformasi anti dari butana sebagai struktur default dengan sudut dihedral CCCC sebesar 180o. Kita ingin mengubahnya menjadi sudut 0odengan cara berikut:
4. Kembali ke dalam mode selection.
5. Yakinkan bahwa multiple selection dalam keadaan aktif.
6. Pilih sudut torsi 4-atom dengan memilih ikatan dengan urutan 1-2, 2-3,dan 3-4.
7. Pilih pegaturan Set Bond Torsion pada menu Edit, dan atur Bond Torsion ada 0o dan tekan OK.
c. Optimasi Struktur
1. Pilih Compute, pilih Single Point
2. Klik OK untuk menutup kotak dialog dan memulai perhitungan.
3. Catat Energinya dan ukur sudut torsinya dengan mengklik ikatan atom C.
4. Menentukan Optimasi Struktur dengan memilih Compute dan kemudian Geometry Optimation. Kemudian untuk RMS Gradient adalah 0.01 kal/(A mol) dan 300 maximum cycle.
5. Klik OK untuk memulai perhitungan. Catat energi teroptimasi dan sudut ikat hedral CCCC.
6. Langkah-langkah penentuan Single Point dan Optimasi Struktur di ulangi prosesnya untuk sudut ikat dihedral 60o, 120o, 180o, 240o, dan 300o.
VII. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada percobaan 1 : Analisis Butana, menggunakan medan gaya (force field) MM+ karena MM+ biasa digunakan untuk keperluan umum, dan butane merupakan senyawa mikro, sehingga lebih tepat jika menggunakan MM+. Dari percobaan di peroleh konformasi-konformasi butana dalam tampilan hyperchem sebagai berikut :Sudut dihedral 0o:Single PointOptimation Energi
Sudut dihedral 60o :Single Point
Sudut Dihedral 60o :Single PointOptimation Energi
Sudut dihedral 120o :Single PointOptimation Energy
Sudut dihedral 180o :Single PointOptimation Energy
Sudut dihedral 240o :Single PointOptimation Energy
Sudut dihedral 300o :Single Point Optimation Energy
Dari hasil percobaan diperoleh data-data sebagai berikut:
Konformasi ButanaSudut Dihedral (o)Energi Single Point (kkal/mol)Sudut Dihedral (o)Energi Teroptimasi (kkal/mol)Sudut Dihedral Teroptimasi (o)
0 9,695470 0 8,591859 -5,36385e-005
60 3,296835 60 3,171470 59,934
120 5,232321 120 5,224217 119,886
180 2,150366 180 2,144270 -179,915
240 5,184565 -120 5,181360 -119,915
300 3,092747 -60 3,088271 -60,0836
Dari data percobaan konformasi butana terlihat bahwa energi teroptimasi selalu lebih rendah dari single point. Single point merupakan energi molekul dari struktur yang telah ditentukan tanpa mengalami proses optimasi yaitu energi dari struktur semula/apa adanya, sedangkan optimasi geometri merupakan minimisasi energi untuk mendapatkan struktur paling stabil yaitu setelah proses optimasi, sehingga akan merubah sudut
dihedral untuk memperoleh energi optimal dari struktur tersebut, namun perubahan sudut dihedral dari single point dan sudut dihedral teroptimasi tidak terlalu jauh, hal ini dimungkinkan agar tidak merubah konformasi struktur menjadi bentuk lain. Pada data sudut dihedral 240o, sudut torsi yang diperoleh adalah -120odan untuk 300osudut torsi yang diperoleh adalah -60o, hal ini dikarenakan perputaran sudut dari molekul tersebut searah jarum jam, dengan memperhatikan energi rentangan,energi bengkokan, energi torsi, dan energi interaksi tak-berikatan yang memungkinkan adanya gaya tolak-menolak dan tarik-menarik antar atom dari molekul tersebut mengakibatkan kemungkinan konformasi yang terjadi pada sudut 240odan 300operputarannya searah dengan jarum jam sehingga bernilai negative.Sudut Dihedral (o) Proyeksi NewmanEnergi Teroptimasi (kkal/mol)Energi eksp. (kkal/mol)
0 8,591859 4,54110899
60 3,171470 0,908221797
120 5,224217 3,82409178
180 2,144270 0
240 5,181360 3,82409178
300 3,088271 0,908221797
Energi teroptimasi MM+ dibandingkan dengan data eksperimental yaitu dari McMurry terlihat perbedaan, energy teroptimasi MM+ lebih besar dari data eksperimental, namun selisih tiap data hampir sama/konsisten. Pada sudut dihedral 0oterlihat perbedaan yang signifikan, hal ini mungkin terjadi karena keterbatasan
kemampuan alat untuk menghitung energi yang diperoleh.Berikut adalah diagram energi untuk rotasi dari satu conformer dengan yang lainnya sebagai fungsi sudut dihedral. Garis biru merupakan diagram energi dari data percobaan, dan garis merah merupakan diagram data eksperimen dari McMurry. Dari diagram di atas menunjukkan selisih yang cukup konsisten dari setiap data. Konformasi yang memiliki energyminimum yaitu konformasi staggered yang memiliki sudut dihedral 180o, dan konformasi yang memiliki energy maksimum adalah konformasi eclipse dengan sudut dihedral 0o.
Hal ini dimungkinkan karena pada sudut dihedral 0o, energi yang di hasilkan adalah yangpaling besar, semakin besar energi yang dihasilkan semakin besar tolakannya sehingga semakin reaktif senyawa tersebut. Eclipse merupakan konformasi yang paling tidak stabil karena spesies sejenis terletak berdampingan sehingga tolakan electron yang dihasilkan akan sangat besar. Bentuk eclipse akan berotasi menjadi bentuk gauche dan kemudian menjadi bentuk yang paling stabil yaitu gauche.
VIII. KESIMPULAN
Konformasi Butana yang memiliki energy minimum adalah konformasi staggered dengan sudut dihedral 180o.
IX. DAFTAR PUSTAKA
Ade Suherman, 2010, Meminimumkan Energi Suatu Sistem, Departemen Kimia, Institut
Pertanian Bogor, Jawa Barat.
Fessenden, Ralph J., 2006, Kimia Organik Jilid 1 Edisi 3, Erlangga, Jakarta.
Ir. Sukirno, M.Eng., 2006, Pendahuluan : Kimia Organik 1, Tim Dosen Teknik Kimia, Fakultas
Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta.
Raymond Chang, 2005, Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti Jilid 1 Edisi 3, Erlangga, Jakarta.
Komentar
Posting Komentar