LAPORAN RESMI PAKTIKUM KIMIA KOMPUTASI
Analisis Sikloheksana
Oleh :
AMRULLAH 13/347361/PA/15202 Jum’at, 11 Maret 2016 Asisten Pembimbing : Wiji Utami
Laboratorium Kimia Komputasi Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada 2016
ANALISIS SIKLOHEKSANA I.
Tujuan Menentukan konformasi yang paling stabil dari sikloheksana dengan menggunakan perhitungan medan gaya AMBER
II.
Dasar Teori
Konformasi = bentuk molekul sesaat (sementara) akibat dari terjadinya rotasi ikatan tunggal. Karena adanya rotasi ikatan tunggal maka dikenal adanya konformasi eclipsed dan staggered dalam alkana yang dapat digambarkan menggunakan proyeksi Newman, kuda-kuda atau garis. Sedangkan dalam cincin sikloalkana, rotasi ikatan tunggal C-C sangat dibatasi (Solomons, 1982) Sikloheksana mengadopsi, bentuk tiga dimensi strain-free yang disebut konformasi kursi karena kesamaannya dengan kursi . Konformasi kursi sikloheksana memiliki baik sudut regangan maupun sudut torsi yang dimana sudut ikatan pada C-C-C adalah sebesar 109,5 °, dan semua ikatan C-H disekitarnya adalah staggered. Selain konformasi kursi, juga terdapat konformasi alternatif pada sikloheksana yang disebut konformasi perahu terpilin. Bagaimanapun konformasi ini memiliki steric strain dan torsional strain sekitar 23 kJ / mol (5,5 kkal / mol) yang dimana energinya lebih tinggi dengan konformasi kursi. Akibatnya, molekul yang memiliki konformasi perahu terpilin hanya ada dalam keadaan khusus. (McMurry, 2012).
Bentuk kursi dari sikloheksana memiliki energi adalah 30 kJ / mol lebih stabil daripada bentuk perahu. Konformasi perahu destabilized oleh torsional strain karena hidrogen pada empat atom karbon pada "plane" adalah eclipsed. Selain itu, terdapat steric strain dari dua hidrogen di kedua ujung pada konformasi perahu yang disebut flagpole hydrogens yang memaksa berdekata satu sama lain (Smith, 2010).
Dalam penentuaan konformasi sikloheksana dapat digunakan metode ab initio molecular dynamics (AIMD). Accelerated AIMD sangat efisien dan metode yang baik dalam sampling untuk konformasi ruang . Adapun hasil simulasi yang didapat adalah sebagai berikut (Bucher, dkk., 2011).
III.
Hasil dan Pembahasan III.
1. Hasil
Jarak CC (Ǻ) Kursi 1.54000 Kursi (teroptimasi) 1.53579 Perahu 1.54000 Perahu (teroptimasi) 1.53666 Perahu terpilin 1.54116 Perahu terpilin (teroptimasi) 1.54083 Konformasi
Konformasi Perahu Perahu terpilin III.
Sudut CCC (o) 109.471 111.258 109.471 113.665 109.631 113.825
Sudut Torsi CCCC (o) 60.0000 55.3233 - 3.19594 x 10-9 - 1.11347 x 10-8 30.0232 27.5467
Energi (kkal/mol) 6.4594940 5.7018850 23.128209 13.043947 16.074041 12.292597
Jarak Hidrogen Flagpole (Ǻ) Single Point Geometry Optimization 1.83996 2.42554 2.20150 2.62152
2. Pembahasan
Dalam percobaan ini bertujuan untuk menentukan konformasi yang paling stabil dari sikloheksana dengan menggunakan perhitungan medan gaya AMBER. Pada percobaan ini perhitungan yang dilakukan adalah perhitungan energi single point dan energi geometry optimizastion. Dalam perhitungan ini, masing-masing energi yang dihitung akan menghasilkan hasil yang berbeda seperti jarak ikatan, sudut dihedral, dan sudut torsi yang dihasilkan. Pada perhitungan energi single point dihasilkan energi yang lebih besar dibandingkan dengan perhitungan energi geometry optimizastion. Perbedaan perhitungan energi yang dihasilkan ini dikarenakan metode perhitungan dalam single point dan geometry optimizastion. Dalam perhitungan energi single point hanya dilakukan perhitungan dari struktur yang semula tanpa dilakukan optimasi. Sedangkan untuk perhitungan energi geometry optimizastion dilakukan perhitungan secara iteratif yang dimana perhitungan ini sesuai dengan struktur yang paling stabil. Dalam percobaan ini yaitu pada perhitungan energi geometry optimizastion digunakan root mean square (RMS) sebesar 0.1 kcal/(Ǻmol). Nilai root mean square (RMS) menyatakan fungsi variasi berkelanjutan dalam hal integral kuadrat dari nilai seketika selama siklus perhitungan. Semakin rendah nilai root mean square (RMS) ini semakin baik hasil perhitungan yang dihasilkan. Dari hasil percobaan yang dilakukan dihasilkan nilai jarak ikatan, sudut dihedral, dan sudut torsi dari masing-masing konformasi sikloheksana pada perhitungan energi single point dan energi geometry optimizastion. Perbedaan hasil ini membuktikan bahwa setiap konformasi sikloheksana memiliki keadaan yang berbeda-beda. Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa konformasi yang paling stabil pada sikloheksana adalah konformasi kursi. Hal ini disebabkan oleh jarak ikatan, sudut dihedral, dan sudut torsi yang berbeda sehingga menyebabkan konformasinya memiliki kestabilan yang berbeda. Hasil yang diperoleh dari percobaan dan diolah ke dalam diagram batang sebagai berikut.
Hasil Konformasi 120 100 Konformasi Kursi
80
Konformasi Perahu
60
Konformasi Perahu Terpilin
40 20 0 Jarak CC (Ǻ)
Sudut CCC (o)
Sudut Torsi CCCC (o)
Energi (kkal/mol)
Dari diagram batang diatas membuktikan bahwa panjang ikatan dan sudut torsi yang terbentuk dapat mempengaruhi energi konformer dari masing – masing bentuk sehingga kestabilan dari masing-masing konformasi menjadi berbeda-beda. Kestabilan (ketidakreaktifan) sikloalkana pada mulanya dijelaskan dengan “teori regangan Baeyer” (Baeyer’s strain theory). Menurut teori ini, senyawa siklik seperti halnya sikloalkana membentuk cincin datar. Bila sudut-sudut ikatan dalam senyawa siklik menyimpang dari sudut ikatan tetrahedral (109,50) maka molekulnya mengalami regangan. Makin besar penyimpangannya terhadap sudut ikatan tetrahedral, molekulnya makin regang, dan berakibat molekul tersebut makin reaktif (Mehta, dkk., 2015). Secara khusus untuk konformasi perahu pada sikloheksana terdapat hydrogen flagpole yang dimana dua atom hydrogen yang berada pada posisi/bidang yang sama yan memiliki gaya tolak menolak yaitu posisi atom hydrogen axial . Dari hasil percobaan untuk konformasi perahu dan perahu terpilin terdapat perbedaan jarak hydrogen axial untuk perhitungan energi single point dan energi geometry optimizastion. Perbedaan jarak yang makin bertambah dari perhitungan energi single point ke geometry optimizastion dapat disebabkan oleh tolakan dari hydrogen axial itu sendiri sehingga untuk mendapatkan struktur yang stabil jarak antara atom hidrogen ini haruslah semakin menjauh sehingga tidak terjadi kenaikan energi struktur konformasi. Oleh karena itu, untuk konformasi kursi atom-atom hidrogen berada pada posisi ekuatorial dimana posisinya pada bidang horizontal konformasi sikloheksana tersebut. Pada posisi inilah konformasi sikloheksana memiliki kestabilan yang lebih tinggi daripada saat hidrogen pada posisi aksial.
Dari hasil percobaan yang diperoleh disajikan dalam table energi relatof dari setiap konformasi yaitu sebagai berikut.
Energi Energi AMBER mutlak (kkal/mol) Energi AMBER relatif (kkal/mol)
Kursi
Perahu
Perahu Terpilin
5.70
13.0
12.3
0.00
7.34
6.59
Dari hasil diatas menunjukkan bahwa konformasi kursi yang memiliki nergi paling rendah adalah konformasi yang paling stabil diiukti konformasi perahu terpilin dan konformasi perahu. Dengan menggunakan nilai enrgi 10 kkal/mol untuk konformasi half-chair didapatkan grafik dibawah ini.
Diagram Energi Interkonvensi Sikloheksana 14
Energi (kkal/mol)
12 10 8
Energi Mutlak AMBER (kkal/mol)
6
Energi Relatif AMBER (kkal/mol)
4 2 0
0
2
4
6
Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa terjadi nilai kenaikan energi dari konformasi kursi sampai ke konformasi perahu. Dalam hal ini seharusnya tidak terjadi peningkatan energi secara linear yang dimana seharusnya pada konformasi perahu terpilin energinya harus lebih rendah dibandingkan dengan konformasi half-chair dan naik lagi pada saat ke konformasi perahu. Perbedaan hasil ini dengan yang seharusnya dapat disebabkan oleh metode perhitungan yang digunakan dengan medan gaya AMBER belum tepat untuk perhitungan konformasi pada sikloheksana sehingga hasil yang diperoleh kurang baik.
Adapun diagram interkonvensi bentuk sikloheksana yang benar adalah sebagai berikut (Bucher, dkk., 2011).
Dari diagram energi interkonvensi sikloheksana diatas dapat dilihat bahwa konformasi yang paling stabil adalah konformasi kursi . Dari gambar diatas terjai kenaikan enrgi dari konformasi kursi ke konformasi halfchair. Kenaikan energi ini dapat disebabkan oleh struktur konformasi dari half-chair dimana dari stukturnya akan menyebabkan perubahan jarak iktan, sudut ikatan, dan sudut torsi sehingga mempengaruhi energi konformer dari masing – masing bentuk sehingga kestabilan dari masing-masing konformasi menjadi berbeda-beda.
IV.
Kesimpulan
Dari percobaan analisis sikloheksana yang bertujuan menentukan konformasi yang paling stabil dari sikloheksana dengan menggunakan perhitungan medan gaya AMBER maka didapatkan konformasi kursi yang paling stabil, memiliki energi yang paling rendah sehingga menghasilkan struktur sikloheksana yang paling stabil.
V.
Daftar Pustaka Bucher, D., Pierce, L. C. T., McCammon, J. A., dan Markwick, P. R. L., 2011, On the use of accelerated molecular dynamics to enhance configurational sampling in ab initio simulations, J. Chem. Theory Comput. , 7, 890–897. Mehta, M., dan Mehta, B., 2015, Organic Chemistry 2nd edition, PHI Learning Private Limited, Delhi McMurry, J., 2012, Organic Chemistry 8th edition, Cengage Learning, Belmont. Smith, J. G., 2010, Organic Chemistry 3th edition, McGraw-Hill, New York. Solomons, T. W. G., 1982, Fundamentals of Organic Chemistry, John Wiley & Sons Inc., New York.
LAMPIRAN
Kursi
Kursi (teroptimasi)
Perahu
Perahu (teroptimasi)
Perahu Terpilin
Perahu Terpilin (teroptimasi)
