Perc 3 Komputasi.docx

PERCOBAAN III SPEKTRA INFRA MERAH MOLEKUL ORGANIK

KATA PENGANTAR

i

DAFTAR ISI

Contents KATA PENGANTAR...................................................................................................................... i DAFTAR ISI................................................................................................................................. ii DAFTAR TABEL ............................................................................Error! Bookmark not defined. DAFTAR GAMBA ........................................................................................................................ ii I. PENDAHULUAN ...................................................................................................................... 1 II. TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................................................. 2 III. METODE KERJA..................................................................................................................... 5 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................................................... 7 4.1.

Hasil ........................................................................................................................... 7

4.2.

Pembahasan .............................................................................................................. 8

V. PENUTUP............................................................................................................................. 11 5.1

Kesimpulan .............................................................................................................. 11

5.2

Saran ....................................................................................................................... 11

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................... 12

n

ii

DAFTAR GAMBAR

iii

I. PENDAHULUAN

1.1 Tujuan Menghitung dan menandai spectra fibrasi dari beberapa molekul organik menggunakan perhitungan semi empiris PM3. 1.2 Latar Belakang Spektroskopi inframerah merupakan metoda untuk menentukan infonnasi structural zat organic pada umumnya. Spektroskopi inframerah juga banyak digunakan

dalam

analisis

kualitatif

dan

kuantitatif.

Metode

analisisnya

berdasarkan pada interaksi gelombang elektromagnetik pada daerah inframerah. Dengan materi berupa absorpsi pada frekuensi atau panjang gelombang tertentu yang berhubungan dengan keadaan energy trsansisi antar tingkat vibrasi –rotasi dari molekul. Serapan cahaya dalam daerah inframerah dari spectrum elektromagnetik akan mengeksitasikan gerakan vibrasi. Frekuensi serapan dan intensitasnya sangat sensitive terhadap detail dari geometri molecular. Karena itu spektroskopi vibrasi (spektroskopi inframerah dan raman) dapat digunakan untuk menentukan apakah dalam suatu senyawa terhadap gugus fungsional tertentu. Daerah spectra finger print (dibawah 1400 cm-1) dapat digunakan untuk membandingkan suatu sampel tidak diketahui dengan sampel standar. Jika spectra inframerah dalam daerah ini identik, dapat dikatakan bahwa dua senyawa hampir dipastikan sama. Spectra vibrasi juga bermanfaat bagi petunjuk yang sensitive tentang perubahan baik pada geometri maupun struktur elektronik akibat adanya asosiasi molekul seperti tejadinya ikatan hidrogen atau solvasi. Pada percobaan mengenai spectra infra merah molekul organic ini, akan dapat diketahui nilai yang diperoleh berdasarkan spectrum serapan cahaya. Selan itu, dalam percobaan ini menerapkan metode semiempiris PM3 dalam menghitung dan menandai spectra inframerah dari beberpa jenis senyawa organic. Hal ini akan menggambarkan pendekatan umum pada spectra tehitung dan sekaligus dapat mengukur kehandalan metode PM3 dalam kajian spectra vibrasi. Sehingga dapat pula diperoleh spectrum dari frekuensi yang tekait dengan setiap mode normal, dan diperoleh visualisasi gerakan berdasarkan garis yang dipilih.

1

II. TINJAUAN PUSTAKA Spektrofotometri IR merupakan suatu metode yang mengamati interaksi molekul dengan radiasi elektromagnetik yang berada pada daerah panjang gelombang 0,75-1000 µm atau pada bilangan gelombang 13000-10 cm-1. Radiasi elektromagnetik dikemukakakn pertama kali oleh James Clark Maxwell yang menyatakan bahwa cahaya secara fisis merupakan gelombang elektromagnetik, yang artinya bahwa mempunyai vector listrik dan vector magnetic yang keduanya saling tegak lurus dengan arah rambatan. Saat ini telah dikenal berbagai macam gelombang elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang tertentu. Spectrum elektromagnetik merupakan kumpulan spectrum dari berbagai panjang gelombang. Berdasarkan sinar infra merah dibagi atas tiga daerah yaitu : a. Daerah infra merah dekat b. Daerah infra merah pertengahan c. Daerah infra merah jauh Daerah yang paling banyak digunakan untuk keperluan praktis adalah daerah IR tengah. Spektroskopi IR digunakan untuk penetuan struktur, khususnya senyawa organic dan juga untuk analisa kuantitatif seperti analisis kuantitatif untuk pencemar udara. Hubungan antara daerah spektroskopi infra merah dengan spectrum elektromagnetik bahwa panjang gelombang berbanding terbalik dengan frekuensi. Energy berbanding langsung dengan frekuensi, energy radiasi yang paling tinggi adalah sesuai dengan daerah spectrum sinar x, energy tersebut cukup kuat untuk memecah ikatan dalam molekul. Molekul akan tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi bila menyerap radiasi IR. Penyerapan merupakan proses kuantisasi. Hanya frekuensi tertentu dari radiasi IR akan diserap oleh molekul. Penyerapan radiasi IR sesuai dengan perubahan energi yang memiliki orde dari 210 kkal/mol. Radiasi dalam kisaran energi ini sesuai dengan kisaran frekuensi vibrasi rentangan dan vibrasi bengkokan dari ikatan kovalen pada kebanyakan molekul. Pada proses penyerapan energy yang diserap akan menaikkan amplitudo gerakan vibrasi ikatan dalam molekul, hanya ikatan yang mempunyai momen dipol yang dapat menyerap radiasi.

2

Tidak ada 2 molekul yang berbeda strukturnya akan punya bentuk serapan IR yang persis sama. Kegunaan dari spectrum IR adalah memberikan keterangan tentang molekul. Serapan setiap ikatan diperoleh dalam bagian-bagian kecil tertentu dari daerah vibrasi IR. Kisaran serapan yang kecil dapat digunakan untuk menentukan setiap tipe ikatan. Vibrasi rentangan asimetri terjadi pada frekuensi yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan frekuensi bengkokan. Ikatan yang lebih kuat akan bervibrasi pada frekuensi yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan ikatan yang lebih lemah. Kedua, ikatan yang terjadi pada atom-atom yang lebih kecil. Ikatan rangkap 3 antara 2 atom yang sama lebih kuat dan punya frekuensi vibrasi, yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan ikatan rangkap2 atau ikatan tunggal Dari pembagian daerah spektrum elektromagnetik tersebut diatas, daerah panjang gelombang yang digunakan pada alat spektrofotometer infra merah adalah pada daerah infra merah pertengahan, yaitu pada panjang gelombang 2,5 – 50 µm atau pada bilangan gelombang 4.000–200 cm-1. Satuan yang sering digunakan dalam spektrofotometri infra merah adalah Bilangan Gelombang ( ϋ) atau disebut juga sebagai Kaiser. Frekuensi atau panjang gelombang absorpsi bergantung pada massa relative atom-atom dalam gugus fungsional molekul, tetapan gaya ikatan antar atom dan struktur keseluruhan. Pemanfaatan spektroskopi ini didasarkan pada letak pita karakteristik vibrasi dari gugus atom tertentu yang selalu muncul pada frekuensi yang sama atau berdekatan meskipun struktur geometri molekulnya berbeda. Atom-atom di dalam suatu molekul tidak diam melainkan bervibrasi (bergetar). Energi dari kebanyakan vibrasi molekul berhubungan dengan daerah infra merah. Vibrasi molekul dapat dideteksi dan diukur pada spektrum infra merah. Bila radiasi infra merah dilewatkan melalui suatu cuplikan, maka molekulmolekulnya dapat menyerap (mengabsorbsi) energi dan terjadilah transisi diantara tingkat vibrasi dasar (ground state) dan tingkat vibrasi tereksitasi (excited state). Pengabsorbsian energi pada berbagai frekuensi dapat dideteksi oleh spektrometer infra merah, yang memplot jumlah radiasi infra merah yang diteruskan melalui cuplikan sebagai fungsi frekuensi (atau panjang gelombang) radiasi. Plot itu disebut spektrum infra merah yang akan memberikan informasi penting tentang gugus fungsional suatu molekul.

3

Macam-macam vibrasi : a. Vibrasi Regangan (Streching) Dalam

vibrasi

ini

atom

bergerak

terus

sepanjang

ikatan

yang

menghubungkannya sehingga akan terjadi perubahan jarak antara keduanya, walaupun sudut ikatan tidak berubah. Vibrasi regangan ada dua macam, yaitu: 

Regangan simetri, unit struktur bergerak bersamaan dan searah dalam satu bidang



Regangan asimetri, unti struktur bergerak bersamaan dan tidak searah tetapi masih dalam satu bidang datar

b. Vibrasi Bengkokan (Bending) Jika sistem tiga atom merupakan bagian dari sebuah molekul yang lebih besar, maka dapat menimbulakn vibrasi bengkokan atau vibrasi deformasi yang mempengaruhi osilasi atom atau molekul secara keseluruhan. Vibrasi bengkokan ini terbagi menjadi empat jenis yatu : 

Vibrasi goyangan (Rocking), unit struktur bergerak mengayun asimetri tetapi masih dalam bidang datar



Vibrasi guntingan (Scissoring), unit struktur bergerak mengayun simetri dan masih dalam bidang datar



Vibrasi kibasan (Wagging), unit struktur bergerak mengibas keluar dari bidang datar.



Vibrasi pelintiran (Twisting), unit struktur berputar mengelilingi ikatan yang menghubungkan dengan molekul induk dan berada didalam bidang datar.

4

III. METODE KERJA 3.1 Prosedur percobaan 1. Gambarlah molekul dengan menu draw, klik dan geser untuk membuat struktur tanpa hidrogen. Untuk meletakkan atom O dan N ke dalam struktur, L-klik ganda pada mode draw. Anda akan mendapatkan tabel periodic klik ganda pada atom yang dipilih dan tambahkan atom tersebut yang di inginkan. Untuk membuat ikatan rangkap 2 L-klik pada ikatan tunggal (pada mode draw), maka akan dihasilkan ikatan rangkap dua. Lklik untuk mendapatkan ikatan rangkap tiga. Jika anda R-klik, anda akan mengurangi ikatan rangkap menjadi rangkap. Jika sudah di dapatkan posisi yang benar untuk karbon, oksigen dan nitrogen dalam struktur molekul , pilih add H dan model build pada menu model build. 2. Pilih setup, semiempiris dan PM3. Klik ok 3. Pilih compute dan kemudian geometry optimations 4. Jika perhitungan selesai, pilih compute dan kemudian vibrations 5. Setelah perhitungan selesai, pilih vibrations spectrum. Spectrum dari frekuensi yang terkait dengan setiap mode normal akan ditampilkan garis vertical pada bagian atas menunjukkan semua frekuensi dasar vibrasi, perlu dicatat bahwa semua ini adalah IR-aktif. Spektrum dibagian bawah berhubungan dengan vibrasi IR-aktif. Ketinggian garis dari spectrum pada bagian bawah berhubungan dengan intensitas IR. 6. Klik pada animate vibrations dan atur fromes 10 dan amplitude 1 7. L-klik pada vibrasi IR-aktif. Garis yang dipilih akan ditandai dengan warna ungu. Informasi pada garis ini akan ditunjukkan tentang sifat spectra dan akan muncul pada bagian bawah dari kotak. 8. Untuk visualisasi gerakan dari garis yang dipilih, pilih ok. Kotak dialog akan hilang dan gerakan vibrasi akan di gambarkan. Untuk menghentikan vibrasi, pilih cancel. Kemudian pilih compute dan vibrational spectrum untuk kembali pada kotak dialog. 9. Untuk setiap molekul, coba untuk mencari mode vibrasi yang berhubungan dengan ikatan yang di tandai pada tabel hasil percobaan. Setelah mendapatkan vibrasi, gambarkan gerakan vibrasinya, kemudian catat frekuensi dan bandingkan dengan cara literature untuk vibrasi ini.

5

3.2 Menggambarkan cis 2-butena Jika memodelkan 2-butena maka akan mendapatkan isomer trans, maka harus dirubah menjadi bentuk cis. Klik pada selection tool pada sisi kiri dan geser dari C-1 ke C-4. Keempat karbon akan ditandai dengan warna hijau. Pilih menu build dan pilih constrain bond torsion dilanjutkan dengan pilihan cis kemudian ok. Matikan fungsi pilihan pada atom karbon dengan R-klik pada bidang yang kosong. Akhirnya klik ganda pada selection tool, bentuk trans akan di ubah menjadi cis.

6

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.

Hasil

Molekul Butana

Cis-2butana 1-butuna Benzena Methanol

Asam asetat

Ikatan C-H dari CH3 C-H dari CH2 C-H dari CH3 C=C Csp3-H Csp2-H C=C-H Csp-H C=C Csp2-H O-H C-O C=O O-H C-O

Bil. Gel. Experimental(cm-1) 2800-3000 2800-3000 1450 1640 2800-3000 3000-3100 2200 3300 1600-1500 3000-3100 3300 1050 1710 3000 1100

Bil. Gel. terhitung 2927,10 2970,81 1449,46 1636,92 2873,61 3051,55 2192,69 3287,38 1585,64 3014,45 3300,65 1041,70 1704,08 2996,70 1095,24

Gerakan vibrasi

7

4.2.

Pembahasan

Dalam percobaan spektra infra merah molekul organik ini bertujuan untuk menghitung dan menandai spektra vibrasi dari beberapa molekul organik menggunakan perhitungan semi empiris PM3. Perhitungan PM3 ini memilki kehandalan dalam mengkaji spektra vibrasi. Karena jika dalam eksperimen dilaboratorium spektra infra merah yang dihasilkan dari penyerapan energi. Serapan cahaya dalam daerah infra merah dari spektrum elektromagnetik akan menghasilkan gerakan vibrasi. Energi cahaya infra merah tidak cukup kuat untuk menghasilkan eksitasi elektron. Frekuensi serapan dan intensitasnya sangat sensitif terhadap detail dari geometri molekular. Oleh karena itu, spektroskopi vibrasi (infra merah dan raman) dapat digunakan untuk menentukan gugus fungsional tertentu dalam senyawa kimia. Dalam komputasi kimia, perhitungan frekuensi harus dilakukan dalam struktur teroptimasi. Hal ini dikarenakan mode vibrasi normal terletak di tengah geometri dalam kesetimbangan sehingga perhitungan frekuensi harus dilakukan menggunakan metode yang sama yang digunakan untuk optimasi geometri. Selain untuk menentukan gugus fungsional tertentu, dalam kimia komputasi perhitungan frekuensi bisa digunakan untuk menentukan struktur apakah berada dalam keadaan minimum ataukah transisi. Setiap struktur dikatakan berada pada kondisi minimum jika tidak ada frekuensi imajiner (bilangan gelombang negatif) dan struktur dikatakan berada keadaan transisi jika memiliki satu frekuensi imajiner. Struktur dengan dua frekuensi imajiner dikatakan sebagai saddle point tingkat kedua. Dari hasil percobaan diperoleh hasil analisis yang tampak pada layar monitor (komputer) untuk masing – masing molekul – molekul organik adalah sebagai berikut :

Gambar 1 butana

8

Pada butane yang dicari gerakan vibrasinya yaitu 2 ikatan C-H dari CH3 dan ikatan C-H dari CH2. menurut bilangan gelombang eksperimen untuk ikatan C-H dari CH3 yang pertama adalah 2800-3000 cm-1, setelah dihitung menggunakan PM3 ternyata gerakan vibrasi nya adalah stretch dan ada pada daerah 2945,76 cm-1. untuk gerakan vibrasi untuk ikatan C-H dari CH2 adalah stretch dan ada pada daerah 2945,76 cm-1. Spektra pada eksperimen berbeda dengan menggunakan spektroskopi. Dan ketelitian metode ini juga ditunjukkan adanya gambar gerakan vibrasi ikatan dari molekul yang dianalisis. Oleh sebab itu bilangan gelombang dengan metode PM3 ini agak berbeda dengan bilangan gelombang eksperimennya. Menurut bilangan eksperimen suatu ikatan dari senyawa yang dianalisis ada pada daerah tertentu, tetapi setelah dihitung dengan metode PM3 gerakan vibrasi ikatan tersebut ada pada daerah yang berbeda. Walaupun angka perbedaannya tidak terlalu signifikan, tetapi cukup merepotkan peneliti untuk mencari daerah yang benar-benar sesuai dengan gerakan vibrasi ikatan tertentu. Jadi ketelitikan metode kimia komputasi ini dapat dibuktikan dari adanya gerakan vibrasi. Hampir semua gerakan vibrasi ikatan senyawa yang di analisis pada percobaan ini adalah stretch. Molekul-molekul poliatom memperlihatkan dua jenis vibrasi molekul : stretching dan binding. Vibrasi ikatan yang melibatkan hidrogen sangat berarti, karena atom-atom dengan massa rendah cenderung lebih mudah bergerak daripada atom dengan massa lebih tinggi. Makin rumit struktur suatu molekul, semakin banyak bentuk-bentuk vibrasi yang mungkin terjadi. Akibatnya kita akan melihat banyak pita-pita absorpsi yang diperoleh pada spektrum infra merah, bahkan bisa lebih rumit lagi bergantung pada molekul dan kepekaan instrumen.

9

10

V. PENUTUP 5.1

Kesimpulan Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa

hal, yaitu : 1. Dengan mengetahui data bilangan gelombang eksperimental, maka dengan perhitungan PM3 akan diketahui vibrasi yang terjadi pada ikatan senyawa yang di analisis berikut dengan bilangan gelombang terhitung nya. 2. Vibrasi ikatan dapat dipengaruhi oleh ikatan antar atom, massa atom dan atruktur suatu molekul. 5.2

Saran Pada

percobaan

pembuatan

model

digunakan

aplikasi

HyperCham,

diharapkan untuk kedepannya pembuatan model gambar dapat dilakukan dengan aplikasi yang lainnya juga. Semoga untuk praktikum kedepannya dapat dicoba metode yang lain selain AM1 dan PM3.

11

DAFTAR PUSTAKA Stanley H. Pine,et al.1988. Kimia Organik 1. Bandung : ITB. Sudjadi.1983.Penentuan Struktur Senyawa Organik. Bandung : Ghalia Indonesia. Sumar Hendana.1994. Kimia Analitik Instrumen. Semarang : IKIP Semarang Press.

12