INTERAKSI ANTARMOLEKUL: Sifat-Sifat listrik molekul Oleh: Dr. Parsaoran Siahaan Pendahuluan Interaksi antarmolekul memerlukan data sifat-sifat listrik atom pada geometri molekul paling stabil. Interaksi intramolekul dan antarmolekul diinterpretasi dalam sifat-sifat listrik molekul: Momen dipol listrik. Polarisabilitas. Kedua sifat-sifat di atas menggambarkan kemampuan inti atom mengatur elektron dalam molekul yang menyebabkan: Elektron terakumulasi pada daerah tertentu. Elektron merespon efek medan listrik luar.

Interaksi intramolekul dan antarmolekul (melalui elektron) adalah yang menyebabkan sifat-sifat khas pada zat seperti: Titik didih tinggi pada molekul sederhana H2O. Kinerja enzim tergantung pH dan temperatur pada molekul kompleks protein. 1. Alanin 2. Asparagin

Interaksi intramolekul dan antarmolekul (melalui elektron) adalah yang menyebabkan sifat-sifat khas pada zat menjadi dasar analisis molekul dengan NMR yaitu berdasarkan perbedaan sifat-sifat listrik di lingkungan atom penyusun molekul. Contoh: asam amino alanin dan asparagin. ChemNMR H-1 Estimation Alanin ChemNMR H-1 Estimation ASPARAGIN

Oleh karena itu, menguji sifat-sifat interaksi antarmolekul harus diawali dengan: Penggabaran sifat-sifat listrik molekul. Molekul dalam keadaan struktur geometri setimbang (keadaan energi terendah). Ketidaksetimbangan yang kecil pada distribusi muatan dalam molekul menyebabkannya berinteraksi dengan: Molekul lain. Medan luar. Akibat interaksi diantaranya adalah: Kohesi molekul membentuk fasa “bulk”. Perubahan struktur geometri dan sifat-sifat fisik molekul.

Interaksi antarmolekul sangat penting untuk memahami: Bentuk makromolekul biologi dan sintetik. Interaksi antar-ion dalam larutan. Interaksi antarmolekul dalam zat padat. Kaitan interaksi antarmolekul melalui sifat-sifat listrik molekul dengan pokok bahasan 1: Dimer terbentuk karena adanya sifat-sifat listrik molekul. Syarat monomer pada pembentukan dimer adalah mempunyai sifat-sifat listrik sedemikian sehingga dapat terbentuk interaksi antarmolekul. Molekul yang mempunyai sifat-sifat listrik tertentu adalah menjadi prasyarat sebagai building block.

Sifat-Sifat Listrik Molekul Sifat-sifat listrik molekul dapat terjadi karena kompetisi pengaruh: Muatan inti dengan elektron, menghasilkan momen dipol listrik. Inti dengan medan luar, menghasilkan sifat-sifat indeks refraktif dan aktivitas optik. Momen Dipol Listrik: 2 titik muatan Persamaan 1 Satuan momen dipol adalah Debye (bukan SI),1D = 3,335 64x10-30 Cm; Cm : Coulomb meter

Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan Contoh 1: Momen dipol sepasang muatan +e dan –e yang dipisahkan oleh jarak 100 pm adalah 1,6x10-29 Cm, sama dengan 4,8 D. Catatan: Dalam satuan c.g.s (SI): 1D adalah momen dipol dua muatan berbeda tanda dengan masing-masing muatan sebesar 1 e.s.u dipisahkan oleh jarak 1 Ao. Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan Terdiri dari 2 kompunen momen dipol: μ1 dan μ2.

Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan 2 komponen momen dipol μ1 dan μ2 dapat digabungkan dengan pendekatan model sederhana yaitu vektor. Catatan: Computational software is now widely available, and typically camputes electric dipole moments by assessing the electron density at each point in the molecule and its coordinates relative to the centroid of the molecule; however, it is still important to be able to formulate simple models of the origin of these mements and to understand how they arise.

Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan The technique of vector addition can be applied with fair success to other series of related molecules, and the resultant μres of two dipole moments μ1 and μ2 that make an angle to each other, is approximately: Persamaan 2 When the two dipole moments have the same magnitude (as in the dichlorobenzene), this equation simplifies to: Persamaan 3

Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan A better approach to the calculation of dipole moments is to take into account the locations and magnitudes of the partial charges on all the atoms. Catatan: These partial charges are included in the output of many molecular structure software packages. To calculate the x-componets, for example, we need to know the partial charge on each atom and the atom’s coordinate relative to a point in the molecule and form the sum: Persamaan 4

Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan Here qj is the partial charge of atom j, xj is the x-coordinate of atom , and the sum is over all the atoms in the molecule. Analogous expression are used for the y- and z-components. For an electrically neutral molecule, the origin of the coordinates is arbitrary, so it best chosen to simplify the measurements. In common with all vectors, the magnitude of μ is related to the three components μx, μy, and μz by: Persamaan 5

Table 1: Partial charges in polypeptides (1,2) Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan Table 1: Partial charges in polypeptides (1,2) No Atom Partial charge/e 1 2 3 4 5 6 7 C(=O) C(-CO) H(-C) H(-N) H(-O) N O +0,45 +0,06 +0,02 +0,18 +0,42 -0,36 -0,38

Contoh: Estimate the electric dipole moment of the amide group (pada protein) by using the partial charges (as multiples of e) in table 2 and the locations of the atoms shown. Metode menyelesaikan: Menghitung setiap komponen momen dipol μx, μy, dan μz, kemudian menggabung ketiga komponen menjadi momen dipol total. Catatan bahwa muatan parsial adalah kelipatan dari muatan dasar, e = 1.609x10-19 C.

Jawab: We can find the orientation of the dipole moment by arranging an arrow of length 2.7 units of length to have x, y, and z component of 0.42, -2.7, and 0 units; the orientation is superimposed on figure:

Jawab:

Jawab: μz=0 Catatan: Sudut dan jarak antar titik muatan berubah maka momen dipol berubah; Koordinat dan jarak antar titik muatan berubah moka momen berubah; Momen dipol mendekati eksperimen adalah saat koordinat dan jarak titik muatan memberikan energi terendah / paling stabil pada molekul.

Tabel 1: Dipole moments (μ )(1,2) Momen Dipol Listrik: eksperimen Tabel 1: Dipole moments (μ )(1,2) Molecules μ/D CCl4 H2 H2O HCl HI 1.85 1.08 0.42

Momen Dipol Listrik: banyak titik muatan C2v, μabs = 2,25 D, μperh = 2,7 D C2v, μ=1,57 D D2h, μabs = 0 D, μperh = 0 D C2v, μabs = 1,48 D, μperh = 1,6 D Pada diklorobenzena metode vektor mudah diterapkan karena benzena adalah planar (metode simetri). Permasalahan: Bagaimana metode menentukan koordinat dan besar muatan titik muatan pada geometri molekul paling stabil?

Pemodelan molekul: komputasi kimia Kebanyakan molekul tidak seperti diklorobenzena (tidak ada simetri) sehingga perlu dicari metode lain. Molekul dengan jumlah atom banyak sulit menghitung momen dipol secara analitik dengan persamaan 2, tetapi diatasi dengan persamaan 4 dan persamaan 5. Computational software is now widely available, and typically camputes electric dipole moments by assessing the electron density at each point in the molecule and its coordinates relative to the centroid of the molecule. Metode komputasi memberi solusi, yaitu dengan menyelesaikan persamaan energi molekul mekanika kuantum atau mekanika molekul. Pemodelan molekul: dibahas secara mendalam pada pokok bahasan 3.

Pemodelan molekul: komputasi kimia Contoh: molekul air dengan 3 titik muatan Molekul diletakkan pada sistem koordinat: kartesian atau internal. Sistem koordinat yang paling mudah adalah koordinat internal. Pada sistem koordinat internal dipilih salah satu titik muatan (atom) sebagai titik awal, misalnya nomor 1 atau a, titik muatan (atom) lain adalah dengan nomor berbeda misalnya 2, 3, dst., atau b, c, dst. Dilakukan perhitungan sesuai dengan metode yang digunakan: metode kuantum atau mekanika molekul. Catatan: Review kembali bahan kajian persamaan Schrodinger dan osilator harmonik pada matakuliah KF3 dan Spektroskopi kimia.

Pemodelan molekul: komputasi kimia Mekanika kuantum menggunakan persamaan diantaranya: Catatan: Komputasi kimia mekanika kuantum: menentukan energi molekul terendah dengan iterasi perhitungan fungsi jarak dan posisi titik-titik muatan (atom) dan titik elektron.

Pemodelan molekul: komputasi kimia 2. Mekanika molekul menggunakan persamaan diantaranya: Catatan: Komputasi kimia mekanika molekul: menentukan energi molekul terendah dengan iterasi perhitungan fungsi jarak dan posisi titik-titik muatan (atom) tanpa titik elektron.