MODUL PRAKTIKUM KIMIA KOMPUTASI

Disusun oleh:

Soni Setiadji, MT., M.Si

awal bagi mahasiswa. Melihat begitu luas nya penerapan dan software yang digunakan untuk pembelajaran kimia komputasi, sehingga kajian dibatasi sesuai dengan keperluan dan sarana komputer yang dimiliki.

Eksperimen kimia komputasi dapat dikelompokan menjadi mekanika molekul (MM), semiempiris, mekanika kuantum (QM), dan campuran QM/MM. Kajian yang dibahas dalam modul praktikum ini, dibatasi hanya dengan mekanika kuantum (QM) atau istilah lain “metoda struktur elektron” saja. Praktek sederhana hanya membahas molekul kecil, berdasarkan pengalaman eksperimen yang sudah berhasil dilakukan oleh mahasiswa jurusan kimia FST UIN bandung, dengan menggunakan komputer PC atau laptop yang sederhana. Namun kesempatan untuk berlatih mekanika molekul dan semiempiris nantinya akan dilakukan pada kesempatan berikutnya, sesuai dengan kebutuhan dan alokasi waktu yang tersedia.

Penulis menyadari bahwa di dalam penulisan modul praktikum ini banyak terdapat kekurangan, bahkan jauh dari yang diharapkan karena keterbatasan waktu, kemampuan dan pengetahuan yang penulis miliki, baik dari segi ilmu ataupun pengalaman. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi perbaikan di masa yang akan datang. Penulis mengucapkan terimakasih bagi rekan-rekan yang sudah membantu dalam pembelajaran kimia komputasi di jurusan kimia FST UIN bandung. Semoga semua ini dapat bermanfaat

1.2. Alat dan bahan 1.3. Tampilan ChemDraw

1.4. Fasilitas utama untuk menggambar molekul 1.5. Membuat file, menyimpan file, membuka file 1.6. Pelatihan 1: "skema reaksi"

1.7. Pelatihan 2: "molekul intermediet"

1.8. Pelatihan 3: "menggunakan skema bentuk cincin"

1.9. Pelatihan 4: "menggambar proyeksi Fischer"

1.10. Pelatihan 5: "menggambar proyeksi Haworth"

1.11. Pelatihan 6: "menggambar proyeksi Newman"

1.12. Pelatihan 7: "menggambar skema stereokimia"

1.13. Tugas terstruktur 1.14. Referensi

2 Menggambar struktur molekul tiga dimensi 2.1. Tujuan

2.2. Alat dan bahan

3.1. Tujuan

3.2. Alat dan bahan 3.3. Deskripsi

3.4. Pelatihan 1: “koordinat struktur molekul katekol”

3.5. Tugas Terstruktur 3.6. Referensi

4 Himpunan basis 4.1. Tujuan

4.2. Alat dan bahan 4.3. Deskripsi

4.4. Beberapa fasilitas himpunan basis dari Avogadro 4.5. Beberapa informasi himpunan basis dari Gaussian 4.6. Informasi dan database himpunan basis

4.7. Tugas Mandiri 4.8. Referensi

6.1. Tujuan

6.2. Alat dan bahan 6.3. Deskripsi

6.4. Beberapa Fasilitas Perhitungan Dari Avogadro

6.5. Contoh Algoritma Perhitungan Optimasi Geometri Menggunakan SCF / HF 6.6. Pelatihan 1: “Perhitungan optimasi geometri molekul”

6.7. Pelatihan 2: “Perhitungan optimasi geometri molekul”

6.8. Pelatihan 3: “Perhitungan optimasi geometri molekul”

6.9. Hasil perhitungan 6.10. Tugas Terstruktur 6.11. Referensi

1.3. Tampilan ChemDraw

Gunakan fasilitasmain tool palette

5) Catatan:

6) Catatan:

7) Catatan:

8) Catatan:

11) Catatan:

12) Catatan:

B) Menggambar molekul produk, label atom dan penamaan molekul

1) Catatan:

5) Catatan:

6) Catatan:

7) Catatan:

8) Catatan:

*)buat pelabelan nama produk

C) Menggambar panah reaksi dan pelabelan

1) Catatan:

3) Catatan:

4) Catatan:

5) Catatan:

6) Catatan:

7) Catatan:

8) Catatan:

Menggambar skema intermediet berikut:

Gunakan fasilitasmain tool palette Ikuti petunjuk tahap-tahap menggambar.

1) Catatan:

2) Catatan:

3) Catatan:

6) Catatan:

7) Catatan:

8) Catatan:

9) Catatan:

10) Catatan:

11) Catatan:

14) Catatan:

15) Catatan:

16) Catatan:

17) Catatan:

18) Catatan:

20) Catatan:

21) Catatan:

22) Catatan:

23) Catatan:

Gunakan fasilitasmain tool palette Ikuti petunjuk tahap-tahap menggambar.

1) Catatan:

2) Catatan:

3) Catatan:

4) Catatan:

6) Catatan:

7) Catatan:

8) Catatan:

10) Catatan:

11) Catatan:

12) Catatan:

14) Catatan:

15) Catatan:

16) Catatan:

17) Catatan:

1.9.Pelatihan 4: “Menggambar proyeksi Fischer”

Menggambar skema molekul berikut:

Gunakan fasilitas main tool palette Ikuti petunjuk tahap-tahap menggambar.

1) Catatan:

2) Catatan:

4) Catatan:

5) Catatan:

6) Catatan:

8) Catatan:

9) Catatan:

10) Catatan:

12) Catatan:

13) Catatan:

14) Catatan:

16) Catatan:

17) Catatan:

1.10. Pelatihan 5: “Menggambar proyeksi Haworth”

Menggambar skema molekul berikut:

2) Catatan:

3) Catatan:

4) Catatan:

5) Catatan:

6) Catatan:

10) Catatan:

11) Catatan:

12) Catatan:

13) Catatan:

14) Catatan:

16) Catatan:

17) Catatan:

18) Catatan:

19) Catatan:

20) Catatan:

24) Catatan:

25) Catatan:

26) Catatan:

1.11. Pelatihan 6: “Menggambar proyeksi Newman”

Menggambar skema molekul berikut:

3) Catatan:

4) Catatan:

5) Catatan:

6) Catatan:

7) Catatan:

11) Catatan:

12) Catatan:

13) Catatan:

14) Catatan:

Gunakan fasilitas main tool palette Ikuti petunjuk tahap-tahap menggambar.

1) Catatan:

2) Catatan:

3) Catatan:

4) Catatan:

5) Catatan:

6) Catatan:

10) Catatan:

11) Catatan:

12) Catatan:

13) Catatan:

Tabel dibawah ini memberikan keterangan dan data yang berhubungan dengan skema sintesis di atas, yaitu sintesis 2-fenilimidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br3dan 2-aminopiridin dalam kondisi bebas pelarut.

3i : 6-Chloro-2-phenylimidazo[1,2-α]pyridine

3j : 6-Chloro-2-(4-methylphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3k : 6-Chloro-2-(4-methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3l : 6-Chloro-2-(4-Fluorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3m : 6-Chloro-2-(4-chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3n : 6-Methyl-2-phenylimidazo[1,2-α]pyridine

3o : 6-Methyl-2-(4-methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3p : 6-Methyl-2-(4-chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine

1.14. Referensi

1. ChemDraw:Chemical Structure Drawing Standard, CambridgeSoft.

2. https://en.wikipedia.org/wiki/ChemDraw.

3. Zhang-Gao Le et al (2012):One-Pot Synthesis of 2-Phenylimidazo[1,2-α]pyridines from Acetophenone, [Bmim]Br3 and 2-Aminopyridine under Solvent-Free Conditions, Molecules, 17, 13368-13375, doi:10.3390/molecules171113368.

2.2.Alat dan Bahan

Komputer, Perangkat lunak Avogadro for Windows 2.3.Tampilan Avogadro

Gunakan fasilitas draw setting (1) dan (2) untuk menggambar molekul.

2. Catatan:

4. Catatan:

6. Catatan:

8. Catatan:

2.5.Pelatihan 2: “Menggambar struktur molekul”

2.7.Pelatihan 4: “Menggambar struktur senyawa kompleks HCo(CO)4”

1. Catatan:

3. Catatan:

2.8.Pelatihan 5: “Menggambar struktur senyawa kompleks HCo(CO)₄”

2.9.Pelatihan 6: “Menggambar struktur senyawa kompleks HCo(CO)3”

2. Catatan:

2.10. Pelatihan 7: “Menggambar struktur senyawa kompleks HCo(CO)3”

2.12. Tugas Terstruktur

Senyawa berbasis Imidazo[1,2-α]piridin merupakan senyawa organik yang telah banyak difungsikan dalam suatu aplikasi, salah satunya sebagai senyawa inhibitor korosi. Sintesis senyawa 2-fenil imidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br3dan 2-aminopiridin ditunjukkan melalui skema reaksi berikut:

Tabel dibawah ini memberikan keterangan dan data yang berhubungan dengan skema sintesis di atas, yaitu sintesis 2-fenilimidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br₃dan 2-aminopiridin dalam kondisi bebas pelarut.

3b : 2-(4-Methylphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3c : 2-(4-Methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3d : 2-(4-Fluorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3e : 2-(4-Chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3f : 2-(2,4-Dichlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3g : 2-(4-Bromophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3h : 3-Methyl-2-phenylimidazo[1,2-α]pyridine

Sensitized Solar Cells: A DFT/TDDFT Study, The Journal of Physical Chemistry Letters, 4, 524-530.

4. M. Torrent. et al, (2000): Theoritical Studies of Some Transition-Metal-Mediated Reactions of Industrial and Synthetic Importance, Chem. Rev., 100, 439-493.

5. Zhang-Gao Le et al (2012):One-Pot Synthesis of 2-Phenylimidazo[1,2-α]pyridines from Acetophenone, [Bmim]Br3 and 2-Aminopyridine under Solvent-Free Conditions, Molecules, 17, 13368-13375, doi:10.3390/molecules171113368.

untuk mendapatkan struktur molekul teroptimasi dari hasil perhitungan.

3.2.Alat dan Bahan

Komputer, Perangkat lunak Avogadro for Windows 3.3.Deskripsi

Ada dua cara yang dapat digunakan untuk menggambarkan struktur pada input file gaussian, yaitu dengan menggunakan koordinat kartesius dan koordinat internal (z- matriks). Dalam koordinat z-matriks dengan parameter: jarak, sudut angular, dan sudut dihedral. Parameter jarak digunakan untuk menunjukkan seberapa jauh jarak suatu titik ke titik yang lain. (gambar tertera di bawah).

u

'

q

_b



Keterangan gambar: Dua titik yang dihubungkan oleh komponen jarakqb.

Parameter sudut angular digunakan untuk menunjukkan sudut yang dibentuk oleh dua garis yang saling berpotongan pada satu titik tertentu (gambar tertera di bawah).

qd

u _v

Keterangan gambar: Empat titik yang dihubungkan oleh tiga komponen jarak (u',v',w'), dua sudut angular (_u dan _w) serta satu sudut dihedralqd.

Dalam perhitungan komputasi, koordinat z-matriks lebih disukai dibandingkan dengan koordinat kartesius. Hal ini disebabkan koordinat z-matriks akan selalu menghasilkan maksimal enam variabel lebih sedikit dibandingkan dengan koordinat kartesius. Selain itu, penggunaan koordinat z-matriks juga membantu fokus perhitungan misalnya pada saat memodelkan pemutusan ikatan parameter yang berperan dominan yaitu jarak ikatan.

H -0.88279 -3.55706 0.00000 2) Koordinat z-matriks:

Koordinat z-matriks molekul katekol:

C

C 1 1.39799

C 1 1.39809 2 120.01722

3.5.Tugas Terstruktur

Senyawa berbasis Imidazo[1,2-α]piridin merupakan senyawa organik yang telah banyak difungsikan dalam suatu aplikasi, salah satunya sebagai senyawa inhibitor korosi. Sintesis senyawa 2-fenil imidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br3dan 2-aminopiridin ditunjukkan melalui skema reaksi berikut:

Tabel dibawah ini memberikan keterangan dan data yang berhubungan dengan skema sintesis di atas, yaitu sintesis 2-fenilimidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br3dan 2-aminopiridin dalam kondisi bebas pelarut.

3c : 2-(4-Methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3d : 2-(4-Fluorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3e : 2-(4-Chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3f : 2-(2,4-Dichlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3g : 2-(4-Bromophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3h : 3-Methyl-2-phenylimidazo[1,2-α]pyridine 3i : 6-Chloro-2-phenylimidazo[1,2-α]pyridine

3j : 6-Chloro-2-(4-methylphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3k : 6-Chloro-2-(4-methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3l : 6-Chloro-2-(4-Fluorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3m : 6-Chloro-2-(4-chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3n : 6-Methyl-2-phenylimidazo[1,2-α]pyridine

3o : 6-Methyl-2-(4-methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3p : 6-Methyl-2-(4-chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine

3.6.Referensi

1. Bakken, V., (2002), The Efficient Optimization of Molecular Geometries Using Redundant Internal Coordinates, J. Chem. Phys., 117 (20), 9160-9174.

2. Cramer, C.J., (2004): Essentials of Computational Chemistry, WILEY.

hipotesis.

4.2.Alat dan Bahan

Komputer, Perangkat lunak Avogadro for Windows 4.3.Deskripsi

1) Fungsi Basis

Untuk atom-atom lain selain atom hidrogen, sebagai pendekatan fungsi gelombang atomnya digunakan fungsi gelombang atom hidrogen. Pada tahun 1930, J.C. Slater mengusulkan persamaan matematika baru yang berdasarkan fungsi orbital atom hidrogen yang dapat digunakan untuk atom berelektron banyak. Fungsi gelombang yang diusulkan Slater ini selanjutnya dikenal sebagaiSlater type orbital(STO).

 

    ^{ }

^







 r e Y θ,

! n m ξ

l n

r _l ^{r ξr} _l^m

n l

STO   

 ¹

2 2

2 ) 2 , , ,

; , , (

Keunggulan STO yaitu terdapat pada kemiripan fungsi gelombangnya dengan orbital hidrogen. Meski demikian, pendekatan ini mengandung kesalahan yang cukup besar, karena usaha untuk membuat aturan yang bisa digeneralisasi untuk sejumlah besar atom.

Untuk mengatasi hal tersebut, pada tahun 1950, Boys mengusulkan untuk menggunakan fungsi Gaussian. Fungsi gelombang yang diusulkan ini selanjutnya

Nilai M di ruas kanan menunjukkan jumlah fungsi Gaussian yang dipakai untuk menyusun orbital tersebut. Fungsi-fungsi Gaussian tersebut dikenal sebagai fungsi Gaussian primitif. Kinerja yang optimal diperoleh dengan menggunakan tiga primitif Gaussian (M = 3).²²Dengan demikian, suatu orbital bukan hanya diwakili oleh satu fungsi, melainkan merupakan kombinasi dari beberapa fungsi yang lebih sederhana.

Selanjutnya, dari hal inilah muncul konsep himpunan basis.

minimal lima fungsi basis, yaitu 1s, 2s, 2px, 2py, dan 2pz. Tabel di bawah menyajikan jumlah fungsi basis minimal untuk beberapa atom.

Keterangan tabel: jumlah minimal basis set untuk berbagai atom

Atom Jenis orbital atom Jumlah

H, He 1s 1

Li sampai Ne 1s

2s, 2p_x, 2p_y, 2p_z

5

Na sampai Ar 1s

2s, 2px, 2py, 2pz

3s, 3px, 3py, 3pz

9

K sampai Ca 1s

2s, 2px, 2py, 2pz

3s, 3px, 3py, 3pz

4s, 4px, 4py, 4pz

13

Sc sampai Kr 1s

2s, 2p_x, 2p_y, 2p_z 3s, 3px, 3py, 3pz

3d2z2 -x2

-y2, 3dx2

-y2, 3dxy, 3dyz, 3dxz

4s, 4px, 4py, 4pz

18

di antaranya zeta ganda (Double Zeta, DZ) yang mengandung dua kali fungsi basis dari basis minimal. Zeta rangkap tiga (Triplet Zeta, TZ) yang mengandung tiga kali fungsi dari minimal basis (Tabel II.4). Himpunan basis valensi terpisah zeta ganda dilambangkan dengan X-YZG. Dimana X menunjukkan jumlah primitif Gaussian yang digunakan setiap orbital fungsi basis atom. Y dan Z menunjukkan jumlah primitif untuk perluasan di kulit valensi. Untuk himpunan basis valensi terpisah zeta rangkap tiga dilambangkan dengan X-YZWG. YZW menunjukkan jumlah primitif untuk perluasan di kulit valensi. Contoh himpunan basis valensi yaitu 3-21G dan 6-31, memiliki dua atau lebih ukuran fungsi basis untuk tiap orbital valensi. Sebagai contoh untuk atom hidrogen dan karbon:

H : 1s, 1s'

C : 1s, 2s, 2s', 2px, 2py, 2pz, 2px’, 2py’, 2pz’

setiap orbital yang diberi tanda kutip berbeda ukurannya dengan orbital tanpa tanda kutip. Sedangkan notasi 3-21G menandakan bahwa di dalam himpunan basis terdapat tiga fungsi Gaussian yang mewakili orbital elektron kulit dalam, dua fungsi Gaussian untuk orbital elektron bagian terkontraksi, dan satu fungsi Gaussian yang mewakili orbital elektron yang berdifusi.

2s’, 2px’, 2py’, 2pz’, 2s”, 2px”, 2py”, 2pz” Na sampai Ar 1s

2s, 2px, 2py, 2pz

3s’, 3px’, 3py’, 3pz’, 3s”, 3px”, 3py”, 3pz”

13

K sampai Ca 1s

2s, 2px, 2py, 2pz

3s, 3px, 3py, 3pz

4s’, 4px’, 4py’, 4pz’, 4s”, 4px”, 4py”, 4pz”

17

Sc sampai Kr 1s

2s, 2px, 2py, 2pz

3s, 3p_x, 3p_y, 3p_z 3d’2z2

-x2

-y2, 3d’x2

-y2, 3d’xy, 3d’yz, 3d’xz, 3d”2z2 - x2

-y2, 3d”x2

-y2, 3d”xy, 3d”yz, 3d”xz

4s, 4px, 4py, 4pz

27

 Himpunan basis terpolarisasi

Pada himpunan basis valensi terpisah diperbolehkan mengubah ukuran orbital tanpa mengubah bentuk orbital. Sedangkan pada himpunan basis terpolarisasi kesulitan penanganan bentuk orbital yang berubah dapat diatasi dengan menambah orbital-

Keterangan gambar: gambar himpunan basis terpolarisasi.

 Himpunan basis difusi

Himpunan basis terpolarisasi kurang mampu menggambarkan kerapatan elektron yang jauh dari inti seperti anion atau molekul yang memiliki pasangan elektron bebas. Hal ini disebabkan amplitudo fungsi Gaussian bernilai rendah pada daerah yang jauh dari inti. Untuk mengatasinya digunakan himpunan basis difusi. Himpunan basis difusi ditandai oleh tanda "+". Misalnya himpunan basis 6-311+G** merupakan himpunan basis yang mengacu pada himpunan basis 6-311G** dengan penambahan fungsi difusi pada atom nonhidrogennya. Sedangkan himpunan basis 6-311++G**

menambahkan fungsi difusi juga pada atom hidrogennya.

Keterangan gambar:gambar himpunan basis difusi.

4.5.Beberapa Informasi Himpunan Basis Dari Gaussian

STO-MG dengan M = 2,3…,6. STO-MG adalah sejumlah M fungsi GTO untuk membentuk sebuah fungsi STO, yang menggambarkan orbital atom (single zeta).

Minimal basis set adalah STO-3G (dengan M = 3).

Himpunan basis valensi terpisah merupakan sejumlah fungsi GTO, dibagi untuk elektron dalam dan elektron valensi secara terpisah (ukuran disesuaikan). Himpunan ini memuat double zeta (2 fungsi per orbital atom) atau triple zeta (3 fungsi per orbital atom). Notasi penulisan himpunan adalah K-LMG.

Keterangan:

Himpunan basis difusi merupakan himpunan basis yang dimodifikasi dengan mengasumsikan elektron berpindah sejauh dari inti atom, sehingga menciptakan orbital atom terdifusi. Himpunan basis ini berguna untuk menggambarakan sistem anion, keadaan tereksitasi dan molekul yang memiliki sepasang elektron bebas.

Himpunan ini dicirikan dengan tanda (+) atau (++) dan dituliskan didepan G.

Contohnya, 6-31+G(d) atau 6-31++G(d).

Himpunan basis CORRELATION-CONSISTENT (CC) merupakan himpunan basis yang mengasumsikan sejumlah fungsi gelombang yang saling berkorelasi, dinotasikan

Beberapa perbandingan antara himpunan basis pople dan CC yang ekivalen.

4.7.Tugas Mandiri

1. Dibawah ini didapat informasi seputar himpunan basis sebagai berikut:

Berikan alasan saudara untuk menjawab informasi tersebut.

2. Diberikan beberapa perbandingan himpunan basis sebagai berikut:

Berikan usulan saudara himpunan basis yang sesuai untuk menghitung struktur molekul pada skema reaksi di atas dan berikan alasannya.

4.8.Referensi

1. Cramer, C.J., (2004): Essentials of Computational Chemistry, WILEY.

2. Catatan kuliah kimia komputasi, Jurusan Kimia ITB, Unpublish.

3. Zhang-Gao Le et al (2012): One-Pot Synthesis of 2-Phenylimidazo[1,2-α]pyridines from Acetophenone, [Bmim]Br3 and 2-Aminopyridine under Solvent-Free Conditions, Molecules, 17, 13368-13375, doi:10.3390/molecules171113368.

4. Anna Tomberg, GAUSSIAN 09W TUTORIAL AN INTRODUCTION TO

Komputer, Perangkat lunak Avogadro for Windows 5.3.Deskripsi

1) Metode Ab Initio

Ab initio berasal dari bahasa Latin yang berarti prinsip pertama (first principle). Pada metode ini, perhitungan diturunkan secara langsung dari prinsip-prinsip teoretis yang mendasar, tanpa memerlukan data eksperimen. Metode ini menggunakan pendekatan kuantum dalam penyelesaiannya.

Beberapa pendekatan dalam dilakukan untuk menyelesaikan perhitungan dengan metode ab initio. Pendekatan pertama yaitu pendekatan Born-Oppenheimer yang memisahkan gerakan elektron dengan inti. Setelah itu, digunakan pendekatan dengan metode variasi atau metode perturbasi. Pada prinsip variasi, digunakan fungsi gelombang coba-coba untuk pendekatan terhadap fungsi gelombang sebenarnya. Selanjutnya, penyelesaian persamaan Schrődinger dilakukan berdasarkan pencarian nilai parameter dalam fungsi gelombang coba-coba yang memberikan energi seminimum mungkin.

Salah satu metode penyelesaian persamaan Schrődinger dengan metode ab initio yaitu perhitungan Hartree-Fock (HF) dengan pendekatan medan pusat (central field approximation). Tolakan Coulomb antar elektron tidak secara spesifik dimasukkan ke dalam perhitungan, tetapi efek tolakan tersebut diperhitungkan sebagai tolakan

Metode HF memiliki kelebihan dan kekurangan. Kelebihan metode HF yaitu akurat dalam meramalkan geometri molekul. Akan tetapi karena metode HF tidak memperhitungkan korelasi elekton maka metode ini kurang baik dalam meramalkan energi molekul.

Untuk memperbaiki peramalan energi, dikembangkanlah metode-metode yang memperhitungkan korelasi elektron yang dikenal dengan istilah Post-SCF. Beberapa contoh metode ini yaitu metode Moller-Plesset (Mooller-Plesset Perturbation Theory, MPn), dimana n menunjukkan tingkat korelasi; metode konsisten diri multikonfigurasi (Multi Configurational Self-Consistent Field, MC-SCF), interaksi konfigurasi (Configuration Interaction, CI), danCoupled Cluster Theory, CC.

2) Hartree Fock (HF)

Pada teori Hartree, Hamiltonian untuk sistem berelektron banyak dapat diungkapkan:





 ^N

i hi

H

1

dimana











 ^M

k ik

i k

i r

h Z

1 2

2 1

Dari persamaan Schrodinger untuk pendekatan ini, dengan mengabaikan interaksi

yang lain. Dengan memperhitungkan tolakan antar elektron, maka h_idisempurnakan menjadi:

 

j r V

h ^M Z _i

k ik

i k

i   





1 2

2 1

 

^



_

i

j ij

i j dr

r j ρ

V

Dari persamaan Schrődinger h_iψ_i ε_iψ_i, maka nilaiρ{j} ditentukan oleh nilai fungsi gelombangnya, yaitu ψ_j. Pada tahun 1928, Hartree mengusulkan suatu metode iterasi dengan membuat parameter untuk fungsi gelombang molekul yang merupakan kombinasi linear dari orbital-orbital atom (LCAO).

Metode HF dapat dibedakan menjadi dua yaitu RHF (restricted Hartree-Fock) dan UHF (unrestricted Hartree-Fock). Metode RHF hanya dapat digunakan untuk molekul yang semua elektronnya berpasangan, sedangkan UHF bisa untuk sembarang molekul. Teori HF sudah sangat baik untuk meramalkan geometri molekul, tetapi kurang baik untuk meramalkan energi molekul dan energi orbital.

3) Teori Fungsi Rapatan (DFT)

Teori fungsi rapatan seperti teori Hartree-Fock menggunakan persamaan

bahwa dalam keadaan dasar energi elektronik dapat dinyatakan dalam rapat kebolehjadian elektron (ρ). Untuk sistem n-elektron, ρ(r) mewakili rapat elektron total pada titik tertentu dalam ruang r. Energi elektronik E dikatakan fungsi dari rapat elektron, ditulis E(ρ), artinya untuk suatu fungsi ρ(r) ada energi yang berhubungan dengan fungsi itu.

Kohn dan Sham menyatakan orbital ke dalam DFT. Fungsi gelombang digambarkan oleh satu determinan Slater. Energi total DFT dinyatakan dengan:

 

ρ T

 

ρ E

   

ρ J ρ E

 

ρ E_DFT  _S  _en   _XC

dengan,

  









 ^N

i i i

S ρ Ψ Ψ

T

1

2

2 1

   



_{ }



 ^M

I I

en I dr

r R

r ρ ρ Z

E

1

     



_

 _{1 2}

2 1

2

2 1

1 drdr

r r

r ρ r ρ ρ

J

 

ρ



T

   

ρT ρ

 

E

   

ρ J ρ



E_XC  _S  _ee 

dimana Tsmenyatakan energi kinetik yang diperoleh dari suatu determinan Slater.

Orbital Kohn-Sham diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Kohn-Sham yang diturunkan dari prinsip variasi kepada persamaan energi E(ρ). Dimana persamaan Kohn-Sham untuk orbital satu elektron ditulis sebagai:

 

_i

 

_{1 i i}

 

₁

N

1

I 2 XC

12 2 Ii

2 I

i dr V Ψ r ε Ψ r

r r ρ r Z 2

1 







  



_ 





dimanaεiadalah orbital KS dan VXCadalah potensial korelasi-pertukaran.

Persamaan KS diperoleh seperti dalam model self-consistent. Mula-mula rapat muatan diperkirakan dari EXC sebagai fungsi rapatan, VXC dapat dihitung sebagair.

Lalu persamaan KS diselesaikan untuk mendapatkan orbital KS pada masing-masing iterasi, juga dapat dihitung secara numerik atau dapat dinyatakan dalam himpunan basis yang diselesaikan untuk menghitung ρ dan proses tersebut diulang hingga diperoleh konvergensi ρ dan EXC dengan toleransi yang sama. Setelah itu energi elektronik dihitung.

Pendekatan rapatan lokal (Local-Density Approximation, LDA) mengasumsikan bahwa kerapatan dapat diperoleh secara lokal sebagai gas elektron yang homogen.

 

^{ρ  }_^ _π^_^



^ρ

 

^{r dr}

E_X^{LDA 13 43} 4

3 2 3

5.5.Beberapa Informasi Metode Perhitungan Dari Gaussian

HF (Hartree Fock) merupakan metode perhitungan ab initio paling dasar. HF dibagi menjadi UHF (Unrestricted Hartree Fock) dan RHF (Restricted Hartree Fock).

MPn singkatan dari Moller-Plesset perturbation theory, dengan n = 2,3….,6. Contoh

5.6.Tugas mandiri 1. Saudara jelaskan:

a. Apa yang dimaksud dengan metode medan konsisten-diri (SCF) pada perhitungan ab initio.

b. Mengapa perhitungan ab initio selalu diselesaikan dengan proses iterasi.

c. Kondisi apa yang harus dicapai untuk dapat mengatakan bahwa perhitungan ab initio sudah selesai.

2. Jelaskan pengertian UHF dan RHF dalam penentuan energi suatu molekul.

Jelaskan perbedaan ini dalam rumusan matematika.

3. Salah satu kelemahan dari DFT adalah kekurangtelitiannya dalam memprediksi sistem kimia dalam fase larutan. Berikan contoh permasalahannya dan berikan penjelasannya.

5.7.Referensi

1. Cramer, C.J., (2004): Essentials of Computational Chemistry, WILEY.

2. Catatan kuliah kimia komputasi, Jurusan Kimia ITB, Unpublish.

3. Anna Tomberg, GAUSSIAN 09W TUTORIAL AN INTRODUCTION TO COMPUTATIONAL CHEMISTRY USING G09W AND AVOGADRO SOFTWARE.

4. H.D. Pranowo dan M.A. Martoprawiro (2011): Pengantar Kimia Komputasi, Lubuk Agung Bandung, Buku Referensi Mahasiswa dan Umum.

struktur dan energi molekul.

6.2.Alat dan Bahan

Komputer, Perangkat lunak Avogadro for Windows 6.3.Deskripsi

Dalam menentukan hubungan struktur suatu sistem dengan energi digunakan pendekatan dengan mendefinisikan vektorgyang menunjukkan arah gradien energi Epada setiap parameter strukturq.

 





































qN

...qE qE E q

g ₂

1

Parameter q merupakan suatu vektor yang dibentuk oleh koordinat setiap komponen penyusun sistem. Ukuran vektor ini bergantung pada jumlah komponen penyusun sistem dan jenis koordinat yang digunakan. Untuk koordinat kartesius, parameter struktur qmemiliki ukuran 3N, dengan Nmerupakan jumlah komponen penyusun sistem. Sedangkan pada koordinat z-matriks, ukuran vektornya adalah 3N- 6.

yang dapat dituliskan dalam bentuk matriks seperti:



q^{(k )}

   

E q^(k) q^{(k )} q^(k)



g^(k)



q^{(k )} q^(k)

 

H^(k) q^{(k )} q^(k)



E ^1   ^1   ^1  ^1 

2 1

dengan q merupakan suatu konfigurasi struktur tertentu (k), g mewakili vektor gradien, dan H dikenal sebagai matriks Hessian. Dengan demikian elemen matriks Hessian dapat dituliskan sebagai:

q(k)

j q i

ij(k) q q

H E _





 ²

Pada titik stasioner berlaku ungkapan:



^{(k ) (k)}



(k)

(k) H q q

q  

 ^1

0 _atau q^(k1) q^(k)

 

H^{(k) 1}g^(k)

Optimasi geometri struktur ke-k(q^(k)) dilakukan dengan menghitung vektor gradien g dan matriks Hessian untuk struktur tersebut. Prosedur tersebut akan dilakukan berulang-ulang hingga diperoleh struktur baru yang memiliki nilai vektor gradien sebesar nol.

Kemudian Schlegel mengembangkan metode kuasi-Newton. Istilah kuasi muncul dikarenakan pada setiap tahap iterasi, nilai Hessiannya tidak diperoleh secara analitis, namum digunakan berbagai cara lain. Perbedaan metode kuasi-Newton yang satu dengan yang lainnya umumnya terletak pada persamaan untuk

Hasil visualisasi optimasi geometri hasil perhitungan Firefly:

Hasil visualisasi optimasi geometri hasil perhitungan Firefly:

Hasil visualisasi optimasi geometri hasil perhitungan Firefly:

- Momen dipole 6.10. Tugas Terstruktur

Senyawa berbasis Imidazo[1,2-α]piridin merupakan senyawa organik yang telah banyak difungsikan dalam suatu aplikasi, salah satunya sebagai senyawa inhibitor korosi. Sintesis senyawa 2-fenil imidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br3dan 2-aminopiridin ditunjukkan melalui skema reaksi berikut:

Tabel dibawah ini memberikan keterangan dan data yang berhubungan dengan skema sintesis di atas, yaitu sintesis 2-fenilimidazo[1,2-α]piridin dari acetofenon, [Bmim]Br₃dan 2-aminopiridin dalam kondisi bebas pelarut.

3a : 2-Phenylimidazo[1,2-α]pyridine

3b : 2-(4-Methylphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3c : 2-(4-Methoxyphenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3d : 2-(4-Fluorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3e : 2-(4-Chlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3f : 2-(2,4-Dichlorophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine 3g : 2-(4-Bromophenyl)imidazo[1,2-α]pyridine

from Acetophenone, [Bmim]Br3 and 2-Aminopyridine under Solvent-Free Conditions, Molecules, 17, 13368-13375, doi:10.3390/molecules171113368.

4. Anna Tomberg, GAUSSIAN 09W TUTORIAL AN INTRODUCTION TO COMPUTATIONAL CHEMISTRY USING G09W AND AVOGADRO SOFTWARE