Menghitung isomer alkana dan delapan homolog

PENDAHULUAN
Menghitung isomer senyawa organik telah
dilakukan sejak 1857 dan orang pertama yang
melakukannya adalah Arthur Cayley. Ia
menghitung jumlah isomer alkana hingga
C13H28 tetapi hasil perhitungannya hanya tepat
hingga C11H24 (Trinastjic 1992).
Orang pertama yang menghitung isomer
senyawa organik dengan komputer adalah
Joshua Lederberg. Ia adalah seorang ahli
biologi antariksa dan sering kali harus
menentukan struktur senyawa dari luar
angkasa. Ia menginginkan sebuah sistem yang
dapat membantunya melakukan hal tersebut.
Untuk membuat sistem impiannya, Lederberg
bekerja sama dengan kimiawan Carl Djerassi,
programer Edward Feigenbaum dan pakar
kecerdasan buatan Bruce Buchanan. Tahun
1968 mereka berhasil menyelesaikan sistem
tersebut dan menamainya DENDRAL
(Lindsay et al. 1980).
Cara kerja DENDRAL adalah sebagai
berikut: pertama DENDRAL mengolah rumus
empiris dan data pengamatan, seperti
spektrum massa senyawa yang diteliti, untuk
mendapatkan rumus molekulnya. Rumus
molekul tersebut digunakan oleh generator
untuk membuat struktur molekul yang
mungkin. Struktur molekul yang dihasilkan
dinyatakan dengan kode struktur. Setelah itu
DENDRAL menganalisis setiap kode struktur
yang dihasilkan dan membanding hasilnya
dengan data pengamatan. Kode struktur yang
sesuai dengan data pengamatan ditampilkan
sebagai hasil proses tersebut (Lindsay et al.
1980).
DENDRAL versi pertama hanya memiliki
generator
asiklik
sehingga
hanya
menghasilkan struktur tanpa cincin. Untuk
mengatasi kelemahan tersebut Masinter
membuat generator siklik yang disebut
CONGEN (Lindsay et al. 1993). CONGEN
dibuat dengan memodifikasi algoritma
generator asiklik, akibatnya kedua generator
tersebut memiliki kelemahan yang sama yakni
memerlukan waktu proses yang panjang.
(Ballard 2003).
Tahun 2003 Ballard menghitung isomer
alkana dengan membuat generator struktur
untuk homolog tersebut. Perangkat lunak
tersebut menghasilkan 7200 isomer alkana per
detik tetapi menghasilkan perulangan kode
struktur mulai C19H40 (Ballard 2003).
Aringheiri menulis beberapa perangkat lunak
untuk menghitung jumlah isomer alkana. Cara
kerja perangkat lunak tersebut adalah dengan
menghitung jumlah kode struktur yang
dihasilkan. Perangkat lunak yang mereka buat
berhasil menghitung jumlah isomer alkana
hingga C27H56 dan yang paling cepat adalah
perangkat lunak yang menggunakan algoritma
Kvasnička-Pospichal (KP) (Aringhieri et al.
2003).
Penelitian ini bertujuan mendaftarkan kode
struktur dan menghitung jumlah isomer
senyawa alkana dan senyawa yang memiliki
rumus molekul CnH2n+2, CnH2n+2O, CnH2n,
CnH2nO, CnH2nO2, dan CnH2n-2 dengan
algoritma KP. Kode struktur akan dinyatakan
dalam kode simplified molecular input line
entry specification (SMILES). Kode ini
dipilih karena sudah didukung oleh banyak
perangkat lunak, namun belum ada perangkat
lunak berdiri sendiri yang dapat mengkonversi
kode SMILES menjadi nama IUPAC. Oleh
karena itu dalam penelitian ini juga dibuat
perangkat lunak untuk mengkonversi kode
SMILES menjadi nama International Union
of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) agar
kode yang dihasilkan bisa dimengerti.
TINJAUAN PUSTAKA
Alkana dan Beberapa Senyawa Satu
Gugus Fungsi
Alkana adalah senyawa hidrokarbon jenuh
sehingga hanya memiliki ikatan sigma dan
rumus molekulnya adalah CnH2n+2. Alkena dan
alkuna adalah hidrokarbon yang setidaknya
memiliki satu ikatan rangkap dua atau tiga
(Carey 2004). Karena ada ikatan rangkap
tersebut maka alkena dan alkuna yang
memiliki satu gugus fungsi akan memiliki
rumus molekul CnH2n dan CnH2n-2.
Alkil merupakan gugus alkana yang
kehilangan satu atom hidrogen sehingga
rumus molekulnya menjadi CnH2n+1 (Carey
2004). Gugus alkil biasanya dilambangkan
dengan huruf R (McMurry 2000).
Alkohol dan eter dapat dianggap sebagai
turunan air dengan mengganti satu atau dua
atom hidrogen dengan gugus alkil. Keduanya
bersifat polar dan larut dalam air tetapi
kelarutan eter lebih rendah (Pine et al. 1988).
Alkohol dan eter yang memiliki satu gugus
fungsi akan memiliki rumus molekul
CnH2n+2O.
Aldehida dan keton merupakan senyawa
karbonil. Aldehida memiliki gugus karbonil
yang selalu berada di urutan pertama
sedangkan gugus karbonil keton tidak pernah
berada di ujung rantai utama. Oleh karena itu
2
aldehida dapat dioksidasi menjadi asam
karboksilat (Pine et al. 1988). Aldehida dan
keton yang memiliki satu gugus fungsi akan
memiliki rumus molekul CnH2nO2.
Asam karboksilat dan ester juga tergolong
senyawa karbonil. Asam karboksilat bersifat
polar dan bisa mengalami reaksi subtitusi.
Reaksi asam karboksilat dengan alkohol
menghasilkan ester. Ester biasa digunakan
sebagai citarasa buah pada produk makanan
(Fessenden RJ & Fessenden JS (b) 1986).
Asam karboksilat dan ester yang memiliki
satu gugus fungsi akan memiliki rumus
molekul CnH2nO2.
Tata Nama IUPAC
Prosedur untuk memberi nama IUPAC
suatu alkana adalah sebagai berikut: (1)
Carilah rantai terpanjang dengan cabang
terbanyak sebagai rantai induk. (2) Nomori
atom karbon pada rantai induk dimulai dari
ujung yang paling dekat dengan cabang. Jika
kedua ujung memiliki jarak yang sama dengan
cabang terdekat maka penomoran dimulai dari
ujung yang paling dekat dengan cabang
selanjutnya. (3) Namai cabang dan posisinya.
(4) Nama ditulis sebagai satu kata (McMurry
2000).
Prosedur penentuan nama IUPAC untuk
senyawa selain alkana mirip dengan prosedur
penentuan nama alkana. Bedanya adalah
rantai utama harus melalui gugus fungsi
senyawa tersebut dan mendapat posisi
terendah. Nama alkena dan alkuna diperoleh
dengan mengganti akhiran -ana dengan -ena
atau -una. Nama alkohol, aldehida, keton, dan
asam karboksilat diperoleh dengan mengganti
huruf 'a' terakhir dari nama alkana dengan
akhiran -ol, -al, -on, atau asam ...-oat. Nama
eter dan ester sedikit berbeda. Untuk eter,
akhiran -il pada alkil yang pendek diganti
dengan akhiran -oksi dan digabungkan dengan
nama alkana dari alkil yang panjang. Untuk
ester, akhiran -il alkil yang terikat pada atom
oksigen diganti dengan -oksi lalu digabungkan
dengan nama asam karboksilat tanpa kata
asam. (Fessenden RJ & Fessenden JS (a)
1986).
Kombinatorial
Kombinatorial adalah cabang matematika
yang mempelajari penyusunan objek-objek.
Hasil yang diinginkan adalah jumlah susunan
yang mungkin untuk menyusun objek tertentu
dalam himpunannya.
Jika ada n tempat dan masing-masing
memiliki a1, a2, a3, …, an cara pengisian yang
mungkin, maka ada a1 × a2 × a3 × … × an
susunan yang mungkin untuk mengisi n
tempat tersebut. Jika ada m objek yang akan
mengisi n tempat, dengan m ≥ n serta urutan
tidak diperhatikan maka jumlah susunan yang
mungkin dibentuk adalah
(Iqbal 2008).
Jika b1 ≥ b2 ≥ … ≥ bk ≥ 1 adalah bilangan
bulat sehingga b1 + b2 + … + bk = n maka
rangkaian bilangan (a1, a2, …, ak) disebut
partisi bilangan bulat dari n (Deo 2004).
Selanjutnya partisi bilangan bulat akan disebut
dengan partisi.
Algoritma KP
Algoritma
adalah
prosedur
untuk
mengerjakan suatu tugas (Skiena 1997).
Prosedur praktikum dan resep masakan adalah
contoh algoritma.
Gambar 1 Ilustrasi enumerasi dengan algoritma KP.
Algoritma KP disebut juga algoritma
pembentukkan, hal ini disebabkan oleh hasil
pengamatan bahwa sebuah rantai alkana dapat
diuraikan menjadi alkil-alkil yang lebih kecil.
Oleh karena itu alkana dengan n atom karbon
dapat dienumerasi dengan menggabungkan
dua alkil atau lebih dengan atom karbon pusat
sehingga jumlah atom karbonnya sama
dengan n. Gambar 1 mengilustrasikan
enumerasi dengan algoritma KP. Bulatan
merah menunjukkan atom karbon pusat
sedangkan garis merah menunjukkan ikatan
pusat (Aringhieri et al. 2003).
Algoritma KP diturunkan dari teorema
Jordan. Aturan dalam teorema Jordan
menjamin setiap struktur yang dibangun
bersifat unik. Teorema Jordan menetapkan
jika sebuah alkana memiliki n buah atom
karbon, ada tiga kondisi yang mungkin, yakni:
(1) jika n = 2k + 1, ada sebuah atom karbon
pusat sehingga alkil-alkil yang berikatan
dengannya tidak ada yang memiliki atom
karbon lebih banyak dari k, (2) jika n = 2k,
ada sebuah atom karbon pusat sehingga alkilalkil yang berikatan dengannya tidak ada yang
memiliki atom karbon lebih banyak dari k-1,
(3) jika n = 2k, ada sebuah ikatan pusat C―C
ketiga. Jumlah ikatan yang dapat dibentuk
atom karbon adalah empat sehingga jumlah
alkil yang dapat diikat oleh atom karbon pusat
adalah dua hingga empat. Untuk membangun
CnH2n+2 sebanyak n atau n-1 atom karbon
harus dibagi dalam dua hingga empat alkil.
Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan
menggunakan membuat partisi dari n atau n-1.
klorida berturut-turut dilambangkan dengan
[Pb], [CH4], dan [HCl]. (2) Atom-atom yang
berikatan tunggal cukup ditulis bersebelahan
sedangkan ikatan rangkap dua dan rangkap
tiga dilambangkan dengan = dan #. Oleh
karena itu metanol, metanal dan asam sianida
dilambangkan dengan CO, C=O, dan C#N. (3)
Cabang ditulis di dalam tanda kurung.
Contohnya 2,2-dimetilpropana dilambangkan
dengan
CC(C)(C)C,
2-propanon
dilambangkan
dengan
O=C(C)C
dan
metiletanoat
dilambangkan
dengan
O=C(OC)C (Blue Obelisk 2009).
Python
Gambar 2 Ilustrasi teorema Jordan.
Alkil yang diperlukan harus sudah tersedia
sebelum membuat alkana. Oleh karena itu
pembentukan alkil didahulukan. Alkil dibuat
dengan menggabungkan alkil-alkil yang lebih
kecil dengan atom karbon yang memiliki satu
elektron tidak berpasangan sehingga atom
tersebut hanya dapat mengikat satu hingga
tiga alkil.
Python adalah bahasa pemrograman yang
sederhana, mudah dipelajari, efisien, memiliki
struktur data tingkat tinggi, dan menggunakan
pendekatan pemrograman berorientasi objek
dan dinamis. Laju eksekusi Python relatif
lambat dibandingkan bahasa pemrograman
seperti Pascal tetapi siklus pengembangannya
yang lebih singkat (Indrajit & Pamungkas
2003).
Kegunaan Generator Struktur
Gambar 3 Contoh pembentukan alkil dengan
algoritma KP.
SMILES
SMILES adalah notasi kimia yang
dirancang untuk digunakan kimiawan pada
komputer. SMILES merupakan rangkaian
karakter yang diakhiri dengan spasi atau akhir
baris. Atom hidrogen boleh dituliskan tetapi
boleh juga tidak. SMILES dirancang agar
mudah dipelajari, bersifat machine-friendly
dan dapat digunakan pada sistem operasi apa
pun (Weininger 1988).
Saat ini ada dua standar penulisan kode
SMILES. Kode SMILES dalam karya ini
ditulis mengikuti standar openSMILES.
Berikut adalah beberapa aturan dalam standar
openSMILES. (1) Sebuah atom diwakili
dengan simbolnya yang dituliskan di antara
tanda kurung siku. Jika ada lebih dari satu
atom yang sama, jumlah atom ditulis setelah
simbol atom. Unsur-unsur yang biasa
digunakan dalam senyawa organik dapat
dituliskan tanpa tanda kurung siku. Oleh
karena itu atom timbal, metana dan asam
Kegunaan utama generator struktur adalah
untuk menentukan struktur molekul suatu
senyawa berdasarkan data NMR, MS atau IR.
Kegunaan lainnya adalah untuk mendisain
molekul. Disain molekul dilakukan untuk
mengoptimalkan sifat fisik, kimia atau biologi
suatu senyawa. Untuk mendisain molekul ada
dua tahap yang harus dilakukan. Pertama
menghitung nilai molecular descriptor dari
sifat
yang
diinginkan
menggunakan
quantitative-structure activity relationship
(QSAR). Selanjutnya generator membuat
semua struktur yang memiliki nilai molecular
descriptor yang sama (Faulon et al. 2004).
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah komputer dengan spesifikasi
prosesor Intel® Pentium® 4 2.8 GHz
Hypertrading, memori RAM DDR 504 MB,
sistem operasi Windows XP SP 2, hard disk
40 GB 7200 rpm, memori virtual 1531 MB,
bahasa pemrograman dan interpreter Python.
Bahan yang digunakan pada penelitian ini
adalah data jumlah isomer alkana, alkena,
alkuna, alkil, eter, dan ester.