Petunjuk Praktikum Kimia Komputasi

PERCOBAAN I ANALISIS BUTANA Tujuan : Minimisasi energi konformasi butana dengan menggunakan medan gaya (Force Field) MM+. Latar Belakang : 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 struktur 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 beberap keadaan minimum. Satu dari keadaan minimum yan gpaling rendah energinya disebut minimum global dan keadaan yang lain dinamakan dengan minimum lokal. Dengan perhitungan energi untuk 6 titik stasioner dari butana, dapat dibandingkan harga energi untuk menentukan konformasi energi pada minimum global. Prosedur a. Pemilihan medan gaya Sebelum menggambarkan dan menjalankan optimisasi dengan mekanika molekular, kita harus memilih medan gaya mekanika molekular yagn 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 medan gaya MM+. Untuk memilih medan gaya (1) pilih Molekular 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 pad amenu Display dan beri label atom dengan nomor. 4. Yakinkan bahwa Explicit Hydrogens pad akeadaan tidak aktif (pada menu Build. 5. Gambarkan struktur 2D dengan mengklik dan menggeser sedemikian hingga keempat karbon terhubungkan. 6. 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 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 menentukan struktur baru dengan bond torsion sesuai yang telah ditentukan. c. Optimasi struktur Langkah berikutnya adalah meminimisasi struktur dengan menjalankan optimasi mekanika molekul dengan melakukan langkah berikut : 13. Pilih Compute. 14. Pilih Single Point 15. L-klik pada OK untuk menutup kotal dialog dan memulai perhitungan. Perhitungan dimulai dan informasi tentang akan muncul di baris status. Setelah beberapa menit, program akan selesai. Catat energi dengan melakukan perhitungan single point pada struktur yang telah tergambar. Perhitungan ini akan memberikan energi tanpa optimasi dengan sudut ikatan dihedral eksak. Ukur sudut dihedral CCCC dan catat hasilnya. 16. Optimasi struktur dengan memilih Compute dan kemudian Geometry Optimizisation. 17. L-klik pada OK unutk memulai perhitungan. Catat energi teroptimasi dan sudut ikat dihedral CCCC. Cetak strutkur dan lampirkan pada lembar laporan. 18. Kembali ke langkah 9 dan ulangi proses untuk sudut ikat dihedral 60, 120, 180, 240 dan 300o. Lengkapi lembar jawaban yang tersedia.

PERCOBAAN II ANALISIS SIKLOHEKSANA Tujuan : Menentukan konformasi yang paling stabil dari sikloheksana dengan menggunakan perhitungan medan gaya AMBER. Latar Belakang : Pada temperatur ruang sikloheksana secara cepat mengalami perubahan konformasi dengan rotasi sepanjang ikatan C-C. Ketika konformasi sikloalkana berubah, hidrogen yang terikat pada setiap atom karbon juga berganti posisi, dan molekul diasumsikan berada pada ruang tiga dimensi. Perubahan dari konformasi kursi ke bentuk yang lain (perubahan hidrogen aksial menjadi ekuatorial sebaliknya) dinamakan interkonversi kursi-kursi. Dengan menentukan panas pembentukan dari konformasi kursi dan bentuk antara dari interkonversi kursi, kita dapat menentukan stabilitas relatif dari setiap konformasi. Prosedur : a. Pemilihan medan gaya 1. Pilihlah Molecular Mechanics pada menu Setup 2. Jika kotak dialog muncul, pilihlah AMBER. b. Menggambar sikloheksana bentuk kursi. 1. Atur Default Element pada karbon dan masuk pada mode Draw. 2. Atur level pemilihan pada tingkat Atoms. 3. Pilih Labels pada menu Display dan label atom dengan nomor. 4. Yakinkan bahwa Explicit Hydrogen dalam keadaan tidak aktif pada menu Build. 5. Gambarkan dengan strutkur 2D dengan mengklik dan menggeser. 6. Pilih Add H & Model Build pada menu Build. 7. Matikan. c. Menghitung sifat struktural sikloheksana bentuk kursi 1. Pilih mode Selection 2. Atur level seleksi pada tingkat Atoms dan matikan mode Multiple selection. 3. Pilih beberapa ikatan, sudut dan sudut torsi untuk mempelajari geometri dari struktur. Catat nilainya pada lembar laporan. 4. R-klik pada daerah kosong pada ruang kerja untuk menyakinkan tidak ada atom yang dipilih. d. Menghitung energi sikloheksana bentuk kursi 1. Pilih Single Point pada menu Compute untuk menghitung energi struktur yang aktif pada kertas kerja. 2. Baca energi single point pada baris status e. Optimasi struktur Langkah selanjutnya adalah meminimisasi struktur kursi dengan melakukan perhitungan optimisasi mekanika molekul dengan melakukan langkah berikut : 1. Pilih Compute

2. Pilih Geometry Optimization 3. L-klik pada OK untuk menutup kotak dialog dan memulai perhitungan. 4. Perhitungan dimulai dan informasi tentang jalannya program akan muncul di baris status. Setelah beberapa menit, program akan selesai. Catat energi dari struktur teroptimasi pada lembar laporan. f. Mengukur sifat pada sistem teroptimasi. 1. Pilih beberapa variasi ikatan, sudut dan sudut torsi. Catatlah harga yang muncul di baris status jika Anda membuat pilihan. 2. Bandingkan harga ini dengan harga sebelumnya yang diperoleh dari struktur tak teroptimasi. 3. Cetak struktur dan lampirkan pada lembar lampiran. g. Mengubah dari bentuk kursi ke bentuk perahu. Pada langkah ini kita akan mencerminkan separuh bagian molekul untuk menghasilkan bentuk perahu dari sikolheksana. Untuk melakukan refleksi pada bidang, lakukan langkah berikut : 1. Hidupkan fungsi Multiple Selections 2. Jika kamu tidak berada pada mode pilihan, L-klik pada menu Selection. 3. Klik ganda pada menu Selection untuk kembali pada struktur Model Build. 4. L-klik pada ikatan 1-2 dan 4-5 untuk memilih bidang refleksi. 5. Pilih Name Selection pad amenu Select. 6. Pilih PLANE, dan kemudian pilih OK. Untuk mencerminkan separuh dari molekul lakukan langkah berikut : 1. Jika perlu, pilih ShowHydrogen dan gunakan menu Zoom untuk mendapatkan skala molekul yang jelas. 2. LR-drag pada satu sisi yang memungkinkan untuk melakukan pemilihan semua atom termasuk hidrogen. 3. Pilih Reflect pada menu Edit Atom yang dipilih dicerminkan pada PLANE, menghasilkan transformasi perahu dari sikloheksana. Struktur akan terlihat sebagai berikut :

4. R-klik pada daerah kosong pada ruang kerja untuk menghilangkan fungsi pilihan atom.

h. Mengukur hidrogen aksial Dua hidrogen aksial berada pada jarak relatif dekat pada bentuk perahu sikloheksana. Posisi ini sering dikenal dengan hidrogen “flagpole”. Untuk mengukur jarak antar dua hidrogen: 1. L-klik pada dua atom hidrogen tersebut. 2. Catat jarak antar dua atom tersebut dan masukkan dalam lembar laporan. Harga ini sangat berdekatan dengan harga atom yang tidak berikatan. Optimasi akan mengubah jarak antar dua atom hidrogen tersebut menjadi sedikit berjauhan sampai didapatkan energi yang lebih rendah. i. Mengoptimasi sikloheksana bentuk perahu Untuk mengoptimasi struktur perahu lakukan langkah sebagai berikut : 1. R-klik pada bagian kosong pada daerah kerja untuk menghilangkan fungsi pilihan atom. 2. Pilih Geometry Optimazation ada menu Compute. Setelah minimisasi selesai, catat energi dan ukur kembali panjang ikatan, sudut dan sudut torsinya. j. Mengukur ulang hidrogen aksial 1. L-klik pada dua hidrogen aksial. Catat jarak H-H yang baru. Bentuk teroptimasi dari struktur perahu adalah saddle point. Bidang simetri pada struktur awal seimbang pada semua gaya yang tegak lurus pada bidang tersebut. Arah pencarian keadaan optimum berdasar atas gaya ini sehingga semua arah pencarian mempunyai bidang simetri yang sama,. HyperChem mencari saddle point yang merupakan minimum yang sesuai untuk dimensi, kecuali bidang simetri. 2. Cetak struktur dan lampirkan pada lembar laporan. k. Membuat sikloheksana bentuk perahu Twist (terpilin) Bentuk ketiga dari sikloheksana adalah bentuk perahu terpilin merupakan bentuk lokal minimum. Cara termudah untuk mendapatkannya adalah memodifikasi bentuk perahu dengan mengubah ikatan torsi, menggambarkan ulang dan mengoptimasi strukturnya. Untuk mengatur batasan ikatan torsi dilakukan langkah berikut: 1. R-klik pada daerah kosong dari bidang kerja untuk menghilangkan fungsi pilihan. 2. Matikan fungsi Show Hydrogens. 3. Pilih sudut torsi 4-atom karbon dengan memilih ikatan 6-1, 1-2, dan 2-3. kita harus memilih atom karbon dengan urutan tersebut sehingga akan didapatkan batasan ikatan torsi yang benar. Model Builder akan menghitung geometri sesuai dengan urutan pilihan, batasan yang telah ditentukan akan hanya mengubah posisi atom karbon 6. 4. Pilih batasan Bond Torsion pada menu Build, dan atur batasan pada 30 derajat, dan kemudian pilih OK. 5. R-klik pada daerah kosong pada bidang kerja. 6. Untuk menggambarkan ulang molekul dengan batasan torsi ikatan lakukan klik ganda pad amenu Selection untuk mengaktifkan Model Builder. HyperChem menggambarkan ulang struktur dengan batas torsi untuk bentuk perahu terpilin dari sikloheksana.

Untuk melakukan optimasi sikloheksana perahu terpilin dapat dilakukan langkah berikut : 1. Pilih Geometry Optimization pada menu Compute. 2. Pilih OK untuk memulai proses optimisasi menggunakan pilihan seperti yang telah dilakukan pada konformasi sebelumnya. Setelah optimisasi selesai, lakukan pencatatan energi dan ukur panjang ikatan, sudut dan sudut torsi. 3. Cetak struktur dan lampirkan pada lembar laporan.

PERCOBAAN III SPEKTRA INFRA MERAH MOLEKUL ORGANIK Tujuan : Menghitung dan menandai speltra vibrasi dari beberapa molekul organik menggunakan perhitungan semi empiris PM3. Latar Belakang : Serapan cahaya dalam daerah inframerah dari spektrum elektromagnetik akan mengeksitasikan gerakan vibrasi. Frekuensi serapan dan intesitasnya sangat sensitif terhadap detail dari geometri molekular. Karena itu spetroskopi vibrasi (spektroskopi inframerah dan Raman) dapat digunakan untuk menentukan apakah dalam suatu senyawa terdapat untuk menentukan apakah dalam suatu senyawa terdapat gugus fungsional tertentu. Daerah spektra finger print (di bawah 1400 cm-1) dapat digunakan untuk membandingkan suatu sampel tidak diketahui dengan sampel standar. Jika spektra inframerah dalam daerah ini identik, dapat dikatakan bahwa dua senyawa hanpir dapat dipastikan sama. Spektra vibrasi juga bermanfaat sebagai petunjuk yang sensitif tentang perubahan baik pada geometri maupun struktur eketronik akibat adanya asosiasi molekul seperti terjadinya ikatan hidrogen atau solvasi. Dalam percobaan ini, kita akan menerapkan metoda semiempiris PM3 dalam menghitung dan menandai spektra inframerah dari beberapa jenis senyawa organik. Hal ini akan menggambarkan pendekatan umum pada spektra terhitung dan sekaligus dapat mengukur kehandalan metode PM3 dalam kajian spektra vibrasi. Prosedur: 1. Gambarkan 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 Table Periodik. Klik ganda pada atom yang dipilih dan tambahkan atom tersebut ke posisi yang diinginkan. Untuk membuat ikatan rangkap dua L-klik pada ikatan tunggal (pada mode Draw), maka akan dihasilkan ikatan rangkap dua. L-klik lagi untuk mendapatkan ikatan rangkap tiga. Jika anda R-klik, anda akan mengurangi ikatan rangkap menjadi rangkap dua. Jika sudah didapatkan posisi yang benar untuk karbon, oksigen dan nitrogen dalam strktur molekul, pilih Add H & Build pada menu Model Build. 2. Pilih Setup, Semi Empirical dan PM3. Klik OK. 3. Pilih Compute dan kemudian Geometrycal Optimization. 4. Jika perhitungan selesai, pilih Compute dan kemudian Vibrations. 5. Setelah dari frekuensi selesai, pilih Vibrational Spectrum. Spektrum dari frekuensi yang berkait dengan setiap mode normal akan ditampilkan. Garis vertikal pada bagian atas menunjukkan semua frekuensi dasar vibrasi. Perlu dicatat bahwa semua ini adalah IR-aktif. Spektrum di bagian bawah berhubungan dengan vibrasi IR-aktif. Ketinggian baris dari spektrum pada bagian bawah berhubungan dengan intensitas IR. 6. Klik pada Animate Vibrations dan atur Frames 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 spektra dan akan muncul pada bagian bawah dari kotak dialog. 8. Untuk visualisasi gerakan vibrasi dari garis yang dipilih, pilih OK. Kotak dialog akan hilang dan gerakan vibrasi akan digambarkan. 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 ditandai pada Tabel. Setelah mendapatkan vibrasi, gambarkan gerakan vibrasinya, kemudian catat frekuensi dan bandingkan dengan harga dari literatur untuk vibrasi ini. Menggambarkan cis-2-butena Jika Anda memodelkan 2-butena, Anda akan mendapatkan isomer trans. Anda harus mengubahnya 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 cis kemudian OK. Matikan fungsi pilihan pada atom karbon dengan R-klik pada bidang yang kosong. Akhirnya klik ganda Selection Tool, bentuk trans akan diubah menjadi cis.

LAPORAN PRAKTIKUM PERCOBAAN IV SPEKTRA INFRA MERAH MOLEKUL ORGANIK Molekul Ikatan Bil.Gel. Gerakan Bil.Gel. Experimental terhitung (cm-1) vibrasi (cm-1) (strech atau bend) Butana C-H dari CH3 2800 – 300 C-H dari CH2 2800 – 3000 C-H dari CH2 1450 Cis-2-butena C=C 1640 Csp3 – H 2800 – 3000 Csp2 – H 3000 – 3100 1-butena C≡C 2200 Csp – H 3300 Benzena C=C 1600,1500 Csp2 – H 3000 – 3100 Metanol O-H 3300 C-O 1050 Asetaldehida C=O 1710 O=C-H 1700,2800 Asetonitril C≡N 2200 Asam Asetat C=O 1710 O-H 3000 C-O 1100

PERCOBAAN IV STABILITAS KARBOKATION DAN HIPERKONJUGASI Tujuan : Menyelidiki stabilitas beberapa karbokation dan pengaruh hiperkonjugasi terhadap panjang ikatan dan kerapatan muatan menggunakan perhitungan semiempiris AM1. Latar Belakang : Karbokation menunjukkan satu dari sangat penting dan sering dijumpai dari jenis zat antara yan gterlibat dalam reaksi senyawa organik. Stabilitas relatif karbikation dapat dijadikan indikasi untuk keberadaannya dalam reaksi yang sedang berlangsung. Banyak cara untuk menjelaskan kestabilan karbokation, salah satunya adalah hiperkonjugasi. Hiperkonjugasi melibatkan tumpang tindih antara suatu ikatan (orbital ikatan) dengan orbital p yang kosong yang terdapat pada atom karbon bermuatan positif (lihat gambar di bawah). Walaupun gugus alkil yang terikat pada atom karbon positif tersebut dapat berputar, satu dari ikatan sigma selalu sebidang dengan orbital p kosong pada karbokation. Pasangan elektron pada ikatan sigma ini disebarkan ke orbital p kosong sehingga menstabilkan atom karbon yang kekurangan elektron.

Kita dapat memikirkan fenomena hiperkonjugasi seperti yang kita jumpai dalam bentuk klasik. Sebagai contoh bahwa isopropil kation distabilkan oleh hiperkonjugasi menghasilkan beberapa bentuk resonansi seperti dinyatakan dalam bentuk berikut :

Hiperkonjugasi akan meningkatkan order ikatan dari ikatan CC (lebih bersifat ikatan rangkap) dan akan berakibat memendekkan ikatan CC. Perlu ditekankan juga bahwa akan terjadi fenomena melemahnya dan memanjangnya ikatan CH yang dinyatakan dengan kerapatan elektron pada orbital p kosong. Akhirnya muatan positif yang signifikan akan dipindahkan kepada atom H yang terlibat dalam hiperkonjugasi. Prosedur Langkah awal adalah menggambarkan dan mengoptimasi bebrapa karbokation yaitu tbutil, sek-butil dan n-butil. Anda dapat memulai mengambarkan hidrokarbon dan menghilangkan 1 atom H yang terikat pada atom karbon untuk menghasilkan karbokation. 1. Gunakan menu Draw untuk menggambarkan isobutana 2. Klik pada Build dan kemudian Add H & Model Build. 3. Gunakan menu Selection dan hapus atom H sesuai dengan karbokation yang akan digambar. 4. Klik Setup dan kemudian semi empiris. 5. Klik AM1 dan kemudian Options.

6. Atur Total Charge pada 1 dan Spin Multiplicity pada 1 (semua spin terpasangkan). 7. Lakukan optimisasi dengan memilih Compute dan kemudian Geometry Optimization. 8. Setelah perhitungan selesai, catat panas pembentukkannya. Pencatatan data 1. Catat panjang ikatan CC, semua panjang ikatan Csp3-H (karbon Csp3 terikat pada karbon Csp2) dan semua sudut antara pusat karbon Csp2. 2. Klik pada Display dilanjutkan dengan Labels. 3. Klik pada Charge dilanjutkan dengan OK. Muatan atom akan dimunculkan . catat muatan pada atom H yang ikut terlibat dalam hiperkonjugasi (pada Csp3 yang terikat pada Csp2). Catat jika terjadi perbedaan. Atom H dengan muatan terbesar akan lebih banyak terlibat dalam hiperkonjugasi. Cetak struktur dengan muatan atomnya dan lampirkan pada lembar laporan.

PERCOBAAN V SUBSTITUSI AROMATIK ELEKTROFILIK Tujuan : Untuk membandingkan kestabilan kompleks sigma hasil dari nitrasi pada benzena tersubstitusi, dan membandingkan arah dan pengarah pengaktifan gugus menggunakan perhitungan semi empiris AM1. Latar Belakang : Sustitusi aromatik elektrofilik merupakan reaksi kimia penting dari senyawa aromatis. Rekasi terjadi pada dua tahap: adisi elektrofilik menghasilkan kompleks sigma, dilanjutkan dengan deprotonasi dan pembentukan benzena tersubstitusi.

Langkah pertama pada umumnya merupakan tahap penentu laju reaksi. Substituen dapat berpengaruh baik pada orientasi reaksi (orto, para dan meta) maupun laju reaksi. Pada percobaan ini, perhitungan semi empiriis AM1 digunakan untuk menentukan sisi yang dipilih dari reaksi nitrasi pada anilin dan nitrobenzena dan membandingkan laju relatif dari reaksinya.

Prosedur : 1. Gambarkan benzena dan lakukan optimasi struktur dengan menggunakan metode semiempiris AM1. Yakinkan untuk membuat cincin aromatis dengan melakukan klik ganda pada cincin ketika Anda berada pada mode Drawing. 2. Gambarkan kompleks sigma sebagai hasil dari nitrasi benzena. Untuk melakukan ini, modifikasi cincin benzena dengan mengganti satu atom hidrogen dengan gugus NO2 pada salah satu atom karbon. Yakinkan untuk Lklik pada ikatan N=o untuk mengubahnya menjadi ikatan rangkap. Ubah karbon tersubstitusi mejadi hibridasi sp3 dengan R-klik pada dua ikatan CC yang terikat pada karbon tersubstitusi. Akhirnya, pilih Add H & Model Build untuk menghasilkan kompleks sigma. Akan terlihat seperti gambar berikut:

3. Lakukan optimasi dan catat panas pembentukkannya. Untuk melakukan hal ini, masuk ke menu Setup, pilih Semiempiris dan selanjutnya AM1 dan kemudian Options. Masukkan harga 1 untuk Charge dan Spin Multiplicity. Pilih OK dan OK. Masuk ke menu Compute dan selanjutnya pilih Geometry Optimization. Catat panas pembentukan jika perhitungan telah selesai. 4. Ulangi hal yang sama untuk anilin. Lakukan optimasi dan catat panas pembentukkannya.

5. Gambarkan kompleks sigma hasil nitrasi anilin pada posisi meta dan posisi para. Optimasi dan catat panas pembentukan dari setiap spesies tersebut. 6. Gambarkan kompleks sigma hasil nitrasi nitrobenzena pada posisi meta dan posisi para. Optimasi dan catat panas pembentukkan dari setiap spesies tersebut. 7. Gambarkan NO2+ dan hitung panas pembentukkannya, hal ini diperlukan untuk semua reaksi pada langkah awal nitrasi dari beberapa spesies di atas. Lakukan optimasi dan catat panas pembentukan dari spesies ini. Yakinkan untuk membuat ikatan rangkap dua pada kedua atom oksigen.