grup imc inter olecular...

P a n d u a n P K T G r u p I M C | 0

PANDUAN PRAKTIKUM KIMIA TERPADU

GRUP IMC

(INTERMOLECULAR CHEMISTRY)

OLEH : Dr. Parsaoran Siahaan, MS

JURUSAN KIMIA FAKULTAS SAINS SAINS DAN MATEMATIKA

UNIVERSITAS DIPONEGORO Jl. Prof. Soedarto, SH. Tembalang, Semarang 50275

Telp./Fax.: 024-7474754 / 024-76480690 Websitegrup IMC: http://imc.kimia.undip.ac.id

e-mail ketua grup: [email protected]

2012

http://imc.kimia.undip.ac.id/


Standar Kompetensi (SK):

Mahasiswa dapat menguraikan dan membandingkan

(C4-menganalisis) beberapa metoda hasil studi literatur

dan hasil praktikum kimia terpadu, serta memprediksi

(C5-mengevaluasi) hasilnya.

Kompetensi Dasar (KD):

Membandingkan (C4-menganalisis) metode hasil

studi literatur dalam bentuk bahan dan alat yang

diperlukan, langkah-langkah kerja, serta menguraikan

(C4-menganalisis) hasil studi literatur dan hasil praktikum

dalam bentuk uraian, tabel, grafik, gambar, yang

dituangkan dalam laporan dan seminar, serta memprediksi

(C5-mengevaluasi) hasil praktikum dalam bentuk hipotesa

atau kesimpulan sementara.

1. Pendahuluan

Mengapa perlu membuat buku panduan Praktikum Kimia Terpadu (PKT)

untuk Grup Riset Interaksi Antarmolekul (InterMolecular Interaction atau

disingkat IMC)? Tujuan utama adalah:

a. Memberikan informasi kepada mahasiswa cara pandang Grup dalam

melakukan penelitian.

b. Memberikan informasi kepada mahasiswa penelitian apa saja yang dapat

dilakukan berkaitan dengan Interaksi Antarmolekul.

c. Membantu mahasiswa untuk mencapai SK dan KD.

Panduan Praktikum Kimia Terpadu Grup IMC

Gambar 1.1.

Struktur 3-dimensi

unit penyusun

polimer selulosa.


2. Cara Pandang Grup

Fokus penelitian grup IMC adalah dengan memandang sistem kimia pada

tiga tingkatan yaitu (a) molekul, (b) mikroskopik, dan (c) makroskopik.

Pemahaman molekul akan memberikan pemahaman yang lebih mendalam pada

sistem mikroskopik dan makroskopik. Pemahaman pada tingkat molekul tanpa

mengkaitkan dengan sistem mikroskopik dan makroskopik, nilai kemanfaatan

aplikasi kurang optimal. Pemahaman mikroskopik dan makroskopik tanpa

memperhatikan pemahaman pada tingkat molekul akan membatasi inovasi pada

pengembangan dan perluasan nilai kemanfaatan pada ranah aplikasi.

Gambar 1. Cara pandang molekul, mikroskopik, dan makroskopik.

(Siahaan dan Windarti, 2009)


Cara pandang grup IMC pada tiga tingkatan secara sinergis dan holistik

telah mulai digambarkan dan dikembangkan pada analisis sifat-sifat fisik

selulosa melalui pembuatan selulosa dari bahan nata de coco (Siahaan dan

Windarti, 2009), Gambar 1. Selulosa nata de coco yang masih basah, Gambar

2a, dan setelah dikeringkan (makroskopik), Gambar 2b, dapat digunakan

sebagai bahan dasar kertas (aplikasi). Selulosa adalah polimer alam yang dapat

digunakan sebagai bahan dasar kertas. Kualitas kertas (uang, buku, dll) yang

menggunakan selulosa sebagai bahan baku sangat tergantung pada kualitas

selulosa itu sendiri. Selulosa nata de coco dapat dikembangkan sebagai bahan

dasar plastik dan baju tahan peluru. Pertanyaan pertama, apa parameter yang

menggambarkan kualitas material seperti kertas dari bahan selulosa? Parameter

yang digunakan tergantung cara pandang yang telah disebutkan di atas.

(a) (b)

Gambar 2. Selulosa nata de coco basah (a) dan setelah dikeringkan (b).

Pada cara pandang makroskopik, salah satu uji parameter kualitas

kertas adalah uji kekuatan tarik (Siahaan dan Windarti, 2009), Gambar 3. Uji

tarik menggambarkan kekuatan putus (strain) bila diberi gaya dari luar (stress).

Gambar 3. Hasil uji tarik selulosa nata de coco setelah dikeringkan.


Pertanyaan kedua, apa faktor dalam material yang menyebabkan harus

diperlukan gaya-gaya dari luar agar lembaran selulosa nata de coco dapat

putus? Untuk menjawab pertanyaan kedua, cara pandang yang harus digunakan

adalah cara pandang mikroskopik. Tiga uji parameter kualitas kertas pada

tingkat mikroskopik adalah uji spektroskopi, uji porositas dan uji

kristalinitas (Siahaan dan Windarti, 2009), Gambar 4. Interpretasi kualitatif

ketiga parameter adalah bahwa ada faktor ikatan primer (ikatan kovalen),

ikatan sekunder (interaksi antarmolekul), struktur dan geometri molekul,

mobilitas rantai utama polimer, polaritas dan mobilitas gugus fungsi pada

rantai polimer yang mempengaruhi sifat mikroskopik dan makroskopik.

(a) (b)

(c)

Gambar 4. Hasil uji porositas (a) dan kristalinitas (b) selulosa nata de

coco setelah dikeringkan.

100012501500175020002500300035004000450050005500600065007000

1/cm

60

65

70

75

80

85

90

95

100

%T

50

55

.43

39

65

.65

37

70

.84

36

95

.61

34

48

.72

34

29

.43

30

76

.46

29

24

.09

28

52

.72

27

02

.27

25

15

.18

23

60

.87

23

35

.80

22

25

.85

21

33

.27

20

71

.55

16

56

.85

16

31

.78

16

00

.92

14

60

.11

13

77

.17

10

89

.78

10

16

.49

85

2.5

4

0 jam Pellet KBr


Pertanyaan ketiga, bagaimana membuktikan secara kualitatif dan

kuantitatif keberadaan dan besarnya ikatan primer (ikatan kovalen), ikatan

sekunder (interaksi antarmolekul), struktur dan geometri molekul, mobilitas

rantai utama polimer, polaritas dan mobilitas gugus fungsi pada rantai polimer?

Untuk menjawab pertanyaan ketiga, cara pandang yang harus digunakan adalah

cara pandang molekular. Salah satu uji parameter ikatan kovalen, interaksi

antarmolekul, dan struktur molekul adalah uji (perhitungan) energi potensial

interaksi dengan metode komputasi (Siahaan dan Windarti, 2009), Gambar 5

sampai dengan Gambar 13.

Gambar 5. Hasil uji (perhitungan) energi potensial interaksi segmen

trimer selulosa...segmen trimer selulosa.

Gambar 6. Hasil uji energi mobilitas rotasi pada sudut torsi c dan c

ikatan glikosida molekul dimer glukosa.


Gambar 7. Hasil uji energi interaksi fungsi ∆E (kJ/mol) terhadap jarak

interaksi R(Å) segmen dimer selulosa...Ca2+

; E= - 247,134

kJ/mol (-59,0665 kkal/mol); jarak interaksi 2,3 Å; Catatan:

Energi ikatan hidrogen kuat (14-40 kkal/mol); Energi ikatan

kovalen yaitu sekitar 100 kkal/mol; Analisis potensial Mie:

energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...Ca2+

, Ev=0=

3,1953 kJ/mol, tetapan vibrasi sebesar 603,886 Nm-1

.

Berdasarkan harga tetapan vibrasi dan tingkat-tingkat energi

vibrasinya menunjukkan bahwa interaksi antara dimer

glukosa...Ca2+

adalah kuat.


interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...PO43-

; E= - 321,1693

kJ/mol (-76,7613 kkal/mol); jarak interaksi 3,1 Å; Analisis

potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer

selulosa...PO43-

, Ev=0= 3,1953 kJ/mol, tetapan vibrasi sebesar

368,626 Nm-1

.

Komputasi kimia dapat menjelaskan geometri molekul dengan presisi

tinggi yang tidak dapat dilakukan dengan metode difraksi sinar-X, SEM, dan

spektroskopi. Interaksi segmen trimer selulosa...segmen trimer selulosa pada

Gambar 5 menunjukkan dengan jelas bahwa orbital hibridisasi sp3 pada atom C

memberi geometri kursi pada unit penyusun polimer selulosa. Uji kuat tarik

pada selulosa mengindikasikan adanya gaya-gaya interaksi antara rantai


polimer selulosa, dan komputasi kimia mengkonfirmasi bahwa hal ini terutama

terjadi karena interaksi ikatan-H antara gugus hidroksida, -OH. Hasil lain

adalah bahwa gugus –CH2OH yang meruah berada sedemikian sehingga tidak

diantara rantai polimer tetapi menjauh agar tolak-menolak paling kecil.

Interaksi rantai selulosa ketiga, keempat, ke-n. dengan dimer selulosa Gambar 5

tidak dapat menghindari bahwa gugus meruah –CH2OH akan berada diantara

rantai dan dapat diperkirakan bahwa energi interaksi akan lebih kecil.


interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...CaPO4-; E= - 78,7903



selulosa...CaPO4-, Ev=0= 1,2427 kJ/mol, tetapan vibrasi

sebesar 245,3743 Nm-1

; konfigurasi-1.

Gambar10.Hasil uji energi interaksi fungsi ∆E (kJ/mol) terhadap jarak

interaksi R(Å) segmen dimer selulosa...CaPO4-; E= - 62,0921



selulosa...CaPO4-, Ev=0= 1,0898 kJ/mol, tetapan vibrasi


; konfigurasi-2.


Gambar11.Hasil uji energi interaksi fungsi ∆E (kJ/mol) terhadap jarak

interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...CaPO4-; E= - 42,4796



selulosa...CaPO4-, Ev=0= 0,839 kJ/mol, tetapan vibrasi sebesar

111,8431 Nm-1

; konfigurasi-3.

Gambar12.Hasil uji energi interaksi fungsi ∆E (kJ/mol) terhadap

jarak interaksi R(Å) segmen dimer selulosa...Ca3(PO4)2;

E=-65,3545 kJ/mol (-15,6201 kkal/mol); jarak interaksi 2,5 Å;

Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer

selulosa...Ca3(PO4)2, Ev=0= 0,8684 kJ/mol, tetapan vibrasi


.

Interaksi antarmolekul dapat berubah dengan pemanasan menghasilkan

jarak interaksi yang lebih besar. Kelarutan dapat meningkat dengan pemanasan

menunjukkan berubahnya interaksi menjadi antara zat terlarut dengan pelarut.

Hal ini mengindikasikan jarak interaksi yang lebih besar yang menyebabkan

pelarut dapat masuk diantara rantai polimer. Perubahan interaksi dapat

dikonfirmasi secara molekular dengan metode komputasi.


Gambar13.Hasil uji energi interaksi fungsi ∆E (kJ/mol) terhadap

jarak interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...Ca5(PO4)3OH;

E=-93,9667 kJ/mol (-22,4586 kkal/mol); jarak interaksi 2,5 Å;

Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer

selulosa...Ca5(PO4)3OH, Ev=0= 0,8221 kJ/mol, tetapan vibrasi


.

Cara pandang di atas akan memberi kekuatan pada ranah aplikasi. Inovasi

produk akan dapat dilakukan dengan baik. Hal itu akan dijelaskan pada hasil-

hasil penelitian yang sedang dilakukan. Secara garis besar, aplikasi kimia bila

selalu melihat dunia ilmu lain, Gambar 14 dan Gambar 15, serta dilandasi

dengan dasar ilmu kimia yang kuat akan memberi pengaruh yang besar.

Contoh aplikasi ilmu kimia adalah masalah yang ditimbulkan dari usaha

ketersediaan ikan tawar untuk memenuhi kebutuhan makanan, Gambar 14.

Salah satu usaha untuk memenuhi kebutuhan makanan tersebut adalah

pertanian air tawar (AquaFarm) dengan pembuatan keramba di danau. Pakan

yang digunakan sebagai konsumsi ikan adalah makanan protein tinggi, ternyata

dapat menimbulkan masalah baru yaitu matinya ikan, dan diduga karena pakan

berlebih. Salah satu alasan dugaan pakan berlebih adalah bahwa pakan dapat

menghasilkan gas beracun H2S dan NH3. Dugaan tersebut harus dibuktikan

dengan hasil analisis kimia.

Kompetensi ahli kimia adalah bahwa sebelum dilakukan analis terhadap

air telah dapat diprediksi bahwa pakan dapat menghasilkan gas NH3, tetapi

H2S hanya dapat dihasilkan bila pakan mengandung asam amino sistein. Untuk


membuktikan, harus dilakukan analisis secara kimia, dengan teknologi yang

selalu berkembang berdasarkan teori atom dan molekul, Gambar 14, untuk

menentukan kadar gas H2S dan NH3, dan dibandingkan dengan batas ambang

kadar H2S dan NH3 berbahaya untuk ikan, serta jenis asam amino dalam pakan.

Contoh masalah kedua yang dapat terjadi dalam usaha memenuhi

kebutuhan manusia adalah sampah plastik. Lingkungan yang tercemar, seperti

air sungai dan danau, dapat kekurangan oksigen. Kebutuhan plastik ramah

lingkungan dapat dikembangkan dengan inovasi perancangan zat baru

berdasarkan kemampuan ilmu dasar.

Gambar 14a.Cara pandang aplikasi ilmu kimia berbasis teori dan aplikasi.


Masalah-masalah baru yang lebih berat yang membutuhkan ahli kimia

dalam inovasi perancangan zat baru berdasarkan kemampuan ilmu dasar adalah

dalam dunia kesehatan, Gambar 15. Alam tidak mampu menyediakan semua

zat-zat kimia yang dibutuhkan manusia. Penyakit yang timbul saat ini

memerlukan obat-obat baru yang dapat diperoleh dengan sintesis, dan peralatan

baru yang dapat menganalisis hingga tingkat molekul.

Gambar 14b.Cara pandang aplikasi ilmu kimia berbasis teori dan aplikasi.


3. Interseksi Praktikum Kimia Terpadu dan Matakuliah

Cara pandang dan fokus penelitian pada grup IMC memerlukan

pemahaman dasar-dasar ilmu kimia yang baik, Gambar 15.

Gambar 15. Peta pengembangan dasar-dasar ilmu kimia dan penelitian.

Selulosa nata de coco adalah molekul polimer. Salah satu yang penting

dalam polimer adalah berat molekul yang dipelajari pada matakuliah ilmu

kimia polimer. Polimer dapat dimodifikasi misalnya selulosa menjadi selulosa

asetat, kitosan menjadi kitosan amida. Modifikasi kitosan menjadi kitosan

amida memerlukan pemahaman molekul seperti reaksi antara gugus –NH2

dengan gugus karboksilat. Pemahaman molekul sangat diperlukan pada

pengembangan material organik dan anorganik. Pemahaman molekul

memerlukan metode-metode eksperimen seperti spektroskopi UV/VIS,

spektroskopi IR, dan spektroskopi NMR. Pemahaman molekul dengan metode

spektroskopi dapat dipelajari pada matakuliah spektroskopi kimia.

Penelitian jangka pendek IMC: berbasis polimer

selulosa, kitosan, zeolit, dll.

Pengembangan

Komputasi Kimia Energi

Pengembangan

Komposit

Pengembangan Bahan

Sumber Energi

Pengembangan

Surfaktan, Katalis

Pemodelan molekul &

Interaksi Antarmolekul/

Supramolekul

Pengembangan Material

Dasar Organik

Pengembangan

polimer modifikasi

Kimia Zat Padat

Jangka

panjang:

Material

Baru dan

Energi

Pengembangan Material

Dasar Anorganik

Kimia Molekul

Kimia Polimer


Selulosa nata de coco adalah material zat padat. Salah satu aspek

penting pada material zat padat adalah porositas dan kristalinitas yang dapat

dipelajari pada matakuliah zat padat. Pemahaman molekul pada zat padat

memerlukan metode-metode eksperimen seperti difraksi sinar-X dan mikroskop

elektron, yang dapat dipelajari pada matakuliah zat padat.

Penelitian jangka pendek Kimia Interaksi Antarmolekul (IMC)

memerlukan pemahaman yang baik dasar-dasar ilmu kimia di atas, Gambar

15, dan menjadi penelitian strategis pada berbagai pengembangan bidang ilmu

kimia, yang menjadi landasan kuat bagi para pengembangan material baru dan

energi pada jangka panjang.

Praktikum kimia terpadu menjadi bagian dari peta dasar-dasar ilmu

kimia di atas, Gambar 15, dan mahasiswa yang mau bekerja di kelompok IMC

dapat memilih salah satu pengembangan tersebut, tetapi dengan fokus

penelitian adalah fenomena molekul dan interaksi antarmolekul baik

dengan eksperimen maupun dengan pemodelan komputasi. Praktikum kimia

terpadu diharapkan menjadi praktikum yang bernilai strategis untuk

menghasilkan tugas riset dan hasil penelitian yang berkualitas.

4. Praktikum Kimia Terpadu dan Penelitian Terkini

Ilmu kimia berkembang sangat pesat seiring dengan perkembangan

masalah dan teknologi. Fokus penelitian terkini di grup IMC adalah:

a. Perancangan protein baru dengan metode komputasi (GROMACS dan

DOCKING) yang berfungsi untuk membuka dan meningkatkan porositas

T-junction pada E-Cadherin sel yang akan dilalui obat-obat berukuran

besar dalam pengobatan penyakit di sekitar otak seperti parkinson, dll.

Penelitian ini adalah kerjasama dengan Prof. Dr. Teruna Siahaan dan

Prof. Dr. K. Kuzcera dari Universitas Kansas, USA.


b. Sintesa peptida dengan metode komputasi ab initio yang berfungsi

untuk memami pengaruh jenis dan urutan asam amino pada kestabilan

peptida, dll.

Dasar-dasar ilmu kimia yang diperlukan untuk (a) dan (b):

Teori Struktur Geometri Molekul: persamaan Schrodinger, operator

energi, energi kinetik, energi potensial, fungsi gelombang, metode MO,

metode variasi, metode HF (ab initio), metode DFT, parameter molekul

jari-jari ikatan, sudut ikatan, dihedral, energi molekul, momen dipol, dll.;

Teori Klasik dan Kuantum Interaksi Antarmolekul: persamaan Lennard-

Jones, grafik persamaan Lennard-Jones, kedalaman potensial, jarak

interaksi antarmolekul, dll.; Dasar-Dasar Kimia Komputasi: basis set,

perintah-perintah operasi Linux, dll.

c. Perancangan kitosan dan derivatnya untuk enkapsulasi molekul yang

berfungsi untuk manjaga kestabilan molekul (seperti vitamin C),

ketersediaan molekul dalam jangka waktu tertentu (lepas lambat atau

time-release; seperti vitamin B), dll.

Dasar-dasar ilmu kimia yang diperlukan untuk (c): kelarutan polimer,

penentuan berat molekul polimer, konduktivitas larutan polimer,

pengaruh temperatur pada konduktivitas, degradasi dan modifikasi

polimer, analisis IR, SEM/EDS, dan XRD, uji kekuatan, analisis interaksi

kitosan dan turunannya dengan zat lain dengan konduktivitas, kinetika

pelepasan zat dari kitosan dan turunannya, pengaruh temperatur dan berat

molekul polimer pada kinetika pelepasan, dll.

d. Studi interaksi segmen kitosan dan turunannya dengan molekul lain

dengan metode komputasi yang berfungsi untuk menentukan pengaruh

geometri dan jenis molekul serta temperatur (eksperimen) pada energi

interaksi antara kitosan dan turunannya dengan molekul zat lain.


Dasar-dasar ilmu kimia yang diperlukan untuk (d):

Teori Struktur Geometri Molekul: persamaan Schrodinger, operator

energi, energi kinetik, energi potensial, fungsi gelombang, metode MO,

metode variasi, metode HF (ab initio), metode DFT, parameter molekul

jari-jari ikatan, sudut ikatan, dan dihedral, energi molekul, momen dipol,

dll.; Teori Klasik dan Kuantum Interaksi Antarmolekul: persamaan

Lennard-Jones, grafik persamaan Lennard-Jones, kedalaman potensial,

jarak interaksi antarmolekul, dll.; Dasar-Dasar Kimia Komputasi: basis

set, perintah-perintah operasi Linux, dll.

e. Aplikasi kitosan dan derivatnya untuk pengobatan, pertanian, dll.

grup imc inter olecular...

Documents