Sifat-Sifat listrik molekul Oleh

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:
1. Momen dipol listrik.
2. Polarisabilitas.
Kedua sifat-sifat di atas menggambarkan kemampuan inti
atom
mengatur
elektron
dalam
molekul
yang
menyebabkan:
1. Elektron terakumulasi pada daerah tertentu.
2. Elektron merespon efek medan listrik luar.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 1
Interaksi intramolekul dan antarmolekul (melalui elektron)
adalah yang menyebabkan sifat-sifat khas pada zat
seperti:
1. Titik didih tinggi pada molekul sederhana H2O.
2. Kinerja enzim tergantung pH dan temperatur pada
molekul kompleks protein.
H
H
H
H
H
H
O
H
H
H
O
O
O
H
O
H
H
O
H
H
O
O
H
H
O
O
H2N
CH C
CH3
H2N
CH C
OH
CH2
OH
1. Alanin
C
O
2. Asparagin
NH2
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 2
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
O
3.67
2.0
H2N
OH 11.0
Alanin
1.23
O
10
3.72
2.0
H2N
OH 11.0
2.80;2.55
8
6
PPM
4
2
0
4
2
0
ChemNMR H-1 Estimation
ASPARAGIN
O
NH2
6.0
10
8
6
PPM
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 3
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:
1. Molekul lain.
2. Medan luar.
Akibat interaksi diantaranya adalah:
•
Kohesi molekul membentuk fasa “bulk”.
•
Perubahan struktur geometri dan sifat-sifat
molekul.
fisik
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 4
Interaksi antarmolekul sangat penting untuk memahami:
1. Bentuk makromolekul biologi dan sintetik.
2. Interaksi antar-ion dalam larutan.
3. Interaksi antarmolekul dalam zat padat.
Kaitan interaksi antarmolekul melalui sifat-sifat listrik
molekul dengan pokok bahasan 1:
1. Dimer terbentuk karena adanya sifat-sifat listrik
molekul.
2. Syarat monomer pada pembentukan dimer adalah
mempunyai sifat-sifat listrik sedemikian sehingga dapat
terbentuk interaksi antarmolekul.
3. Molekul yang
mempunyai sifat-sifat listrik tertentu
adalah menjadi prasyarat sebagai building block.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 5
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
  qR
Persamaan 1
Satuan momen dipol adalah Debye (bukan SI),1D = 3,335 64x10
Cm : Coulomb meter
-30
Cm;
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 6
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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 7
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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 8
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:
res       212 cos  




12
Persamaan 2
When the two dipole moments have the same magnitude (as
in the dichlorobenzene), this equation simplifies to:
res  21 cos 12 
Persamaan 3
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 9
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:
x   q j x j
j
Persamaan 4
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 10
Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan
Here qj is the partial charge of atom j, xj is the xcoordinate 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:

    
2
2
2
x
y
z

12
Persamaan 5
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 11
Momen Dipol Listrik: 3 titik muatan
Table 1: Partial charges in polypeptides
No
1
2
3
4
5
6
7
Atom
C(=O)
C(-CO)
H(-C)
H(-N)
H(-O)
N
O
(1,2)
Partial charge/e
+0,45
+0,06
+0,02
+0,18
+0,42
-0,36
-0,38
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 12
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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 13
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:
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 14
Jawab:
x   q j x j
j
  0.36e  x 132pm    0.45e  x  0pm    0.18e  x 182pm 
  0.38e  x  62.0pm 
 8.8epm
 8.8x 1.609x1019 C  x 1012 m   1.4 x10 30 C m
 1.4 x10
30
1D


C m x 
  0.42 D
-30
 3.33564x10 C m 
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 15
Jawab:
  q
y
j
yj
j
  0.36e  x  0pm    0.45e  x  0pm    0.18e  x  86.6pm 
  0.38e  x 107pm 
 56epm  9.1x1030 Cm  2.7 D
μz=0

   0.42 D    2.7 D 
2

2 12
 2.7 D
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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 16
Momen Dipol Listrik: eksperimen
(1,2)
Tabel 1: Dipole moments (μ )
Molecules
CCl4
H2
H2O
HCl
HI
μ/D
0
0
1.85
1.08
0.42
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 17
Momen Dipol Listrik: banyak titik muatan
C2v, μ=1,57 D
D2h, μabs = 0 D,
μperh = 0 D
C2v, μabs = 2,25 D,
μperh = 2,7 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?
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 18
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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 19
Pemodelan molekul: komputasi kimia
Contoh: molekul air dengan 3 titik muatan
1. Molekul diletakkan pada sistem koordinat: kartesian
atau internal.
2. Sistem koordinat yang paling mudah adalah koordinat
internal.
3. 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.
4. 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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 20
Pemodelan molekul: komputasi kimia
1. 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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 21
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.
Kimia Supramolekul: Sifat-sifat listrik molekul, Dr. Parsaoran Siahaan, September - Oktober 2014, 22