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: siahaan_parsaoran@yahoo.com 2012
P a n d u a n P K T G r u p I M C 1 Panduan Praktikum Kimia Terpadu Grup IMC 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. Gambar 1.1. Struktur 3-dimensi unit penyusun polimer selulosa. 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 2 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)
P a n d u a n P K T G r u p I M C 3 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.
2924.09 2360.87 2335.80 3448.72 3429.43 2852.72 1656.85 1631.78 1600.92 5055.43 3965.65 3770.84 3695.61 3076.46 1460.11 1089.78 2702.27 2515.18 2225.85 2133.27 2071.55 1016.49 1377.17 P a n d u a n P K T G r u p I M C 4 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. 100 %T 95 90 85 80 75 70 65 (a) 60 7000 6500 6000 0 jam Pellet KBr 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1750 1500 1250 1000 1/cm (b) (c) Gambar 4. Hasil uji porositas (a) dan kristalinitas (b) selulosa nata de coco setelah dikeringkan.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 5 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 6 Gambar 7. Hasil uji energi interaksi fungsi E (kj/mol) terhadap jarak interaksi R(Å) segmen dimer selulosa...ca 2+ ; 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...ca 2+, E v=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...ca 2+ adalah kuat. Gambar 8. Hasil uji energi interaksi fungsi E (kj/mol) terhadap jarak interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...po 4 3- ; E= - 321,1693 kj/mol (-76,7613 kkal/mol); jarak interaksi 3,1 Å; Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...po 4 3-, E v=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 sp 3 pada atom C memberi geometri kursi pada unit penyusun polimer selulosa. Uji kuat tarik pada selulosa mengindikasikan adanya gaya-gaya interaksi antara rantai
P a n d u a n P K T G r u p I M C 7 polimer selulosa, dan komputasi kimia mengkonfirmasi bahwa hal ini terutama terjadi karena interaksi ikatan-h antara gugus hidroksida, -OH. Hasil lain adalah bahwa gugus CH 2 OH 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 CH 2 OH akan berada diantara rantai dan dapat diperkirakan bahwa energi interaksi akan lebih kecil. Gambar 9. Hasil uji energi interaksi fungsi E (kj/mol) terhadap jarak interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...capo 4 - ; E= - 78,7903 kj/mol (-18,8313 kkal/mol); jarak interaksi 2,5 Å; Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...capo 4 -, E v=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...capo 4 - ; E= - 62,0921 kj/mol (-14,8404 kkal/mol); jarak interaksi 3,75 Å; Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...capo 4 -, E v=0 = 1,0898 kj/mol, tetapan vibrasi sebesar 188,7269 Nm -1 ; konfigurasi-2.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 8 Gambar11.Hasil uji energi interaksi fungsi E (kj/mol) terhadap jarak interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...capo 4 - ; E= - 42,4796 kj/mol (-10,153 kkal/mol); jarak interaksi 3,0 Å; Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...capo 4 -, E v=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...ca 3 (PO 4 ) 2 ; E=-65,3545 kj/mol (-15,6201 kkal/mol); jarak interaksi 2,5 Å; Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...ca 3 (PO 4 ) 2, E v=0 = 0,8684 kj/mol, tetapan vibrasi sebesar 201,6728 Nm -1. 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 9 Gambar13.Hasil uji energi interaksi fungsi E (kj/mol) terhadap jarak interaksi R (Å) segmen dimer selulosa...ca 5 (PO 4 ) 3 OH; E=-93,9667 kj/mol (-22,4586 kkal/mol); jarak interaksi 2,5 Å; Analisis potensial Mie: energi keadaan dasar segmen dimer selulosa...ca 5 (PO 4 ) 3 OH, E v=0 = 0,8221 kj/mol, tetapan vibrasi sebesar 226,3475 Nm -1. Cara pandang di atas akan memberi kekuatan pada ranah aplikasi. Inovasi produk akan dapat dilakukan dengan baik. Hal itu akan dijelaskan pada hasilhasil 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 H 2 S dan NH 3. 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 NH 3, tetapi H 2 S hanya dapat dihasilkan bila pakan mengandung asam amino sistein. Untuk
P a n d u a n P K T G r u p I M C 10 membuktikan, harus dilakukan analisis secara kimia, dengan teknologi yang selalu berkembang berdasarkan teori atom dan molekul, Gambar 14, untuk menentukan kadar gas H 2 S dan NH 3, dan dibandingkan dengan batas ambang kadar H 2 S dan NH 3 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 11 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 12 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. Kimia Polimer Pengembangan polimer modifikasi Pengembangan Material Dasar Anorganik Kimia Zat Padat Kimia Energi Pengembangan Komposit Penelitian jangka pendek IMC: berbasis polimer selulosa, kitosan, zeolit, dll. Pengembangan Komputasi Pengembangan Surfaktan, Katalis Pengembangan Bahan Sumber Energi Jangka panjang: Material Baru dan Energi Pemodelan molekul & Interaksi Antarmolekul/ Supramolekul Pengembangan Material Dasar Organik Kimia Molekul 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 NH 2 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 13 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 14 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.
P a n d u a n P K T G r u p I M C 15 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.