PERCOBAAN IV

Judul : Permodelan Molekul SikloheksanaTujuan :1. Untuk memvisualisasikan bentuk-bentuk molekul

sikloheksana 2. Menghitung energi molekul tersebut beserta konformasi

dari sikloheksanaHari/ tanggal : Rabu/ 29 Oktober 2014Tempat : Ruang 29 FKIP Unlam

I. DASAR TEORI

Stereokimia merupakan studi mengenai molekul-molekul dalam ruang tiga

dimensi, yakni bagaimana atom-atom dalam sebuah molekul ditata dalam ruangan satu

relatif terhadap yang lain. Tiga aspek stereokimia yang penting meliputi :

Isomer geometrik

Konformasi molekul

Kiralitas (chirality) molekul

Atom-atom yang tergabung dalam suatu cincin tidak bebas berotasi mengelilingi

ikatan-ikatan sigma dari cincin itu. Rotasi mengelilingi ikatan-ikatan sigma cincin akan

memutus agar atom-atom atau gugus-gugus yang terikat, melewati pusat cincin itu. Tetapi

gaya tolak van der Waals menghalangi terjadinya gerakan ini, kecuali jika cincin terdiri

dari sepuluh atom karbon atau lebih.dalam senyawa organic cincin yang paling lazim

ialah cincin lima atau enam anggota.

Tiap atom karbon dalam cincin sikloheksana terikat pada atom-atom karbon

tetengganya dan juga pada dua atom gugus lainnya. Ikatan pada dua gugus lain ini

dinyatakan oleh garis-garis vertikal (garis pada bidang kertas). Suatu gugus yang terikat

pada ujung atas garis vertikal dikatakan berada diatas bidang cincin dan gugus yang

terikat pada ujung bawah garis vertikal itu dikatakan berada dibawah bidang cincin.

Dalam perlambangan ini atom-atom hidrogen yang terikat pada cincin dan ikatan-

ikatan mereka tak selalu ditunjukkan.

Pemberian substituen sebagai berada “diatas bidang “ atau “dibawah bidang” hanya

benar untuk representasi suatu struktur. Suatu molekul dapat jungkir balik dalam ruang

dan pemerian itupun harus dibalik.

1. Untuk memvisualisasikan bentuk-bentuk molekul sikloheksana2. Menghitung energi molekul tersebut beserta konformasi dari

sikloheksana

Model-model molekul dan proyeksi-proyeksi Newman dari bentuk kursi dan biduk sikloheksana

Energi potensial relatif dari konformasi- konformasi sikloheksana

Suatu hal yang penting ialah bahwa dalam rumus-rumus diatas, gugus metil dan

gugus hidroksil berada dalam sisi –sisi yang berlawanan dari bidang cincin. Bila dua

ggugus berada dalam sisi berlawanan dari cincin, mereka adalah trans; bila mereka

berada dalam satu sisi, mereka adalah cis. Penandaan ini analog langsung cis dan trans

dalam alkena. Senyawa cis dan trans adalah isomer geometrik satu sama lain.

Konformer Sikloheksana

Suatu cincin sikloheksana dapat memiliki banyak bentuk, dan molekul

sikloheksana tungal mana saja terus-menerus berada dalam keadaan membengkok

menjadi aneka ragam bentuk (model-model molekul sangat berfaedah dalam

memperagakan hubungan berbagai konformasi ini). Sejauh ini baru dikemukakan bentuk

kursi (chair form) sikloheksana. Beberapa bentuk lain yang dapat dimiliki oleh

sikloheksana sebagai berikut

Persyaratan energi untuk interkonvensi (antar-ubahan) konformasi-konformasi

sikloheksana digambarkan dalam gambar diatas. Terlihat disini bahwa bentuk kursi

sumbu

H aksial (sejajar sumbu)H ekuatorial (dalam bidang)aksial

mempunyai energi rendah, sementara bentuk setengah - kursi ( yang mempunyai struktur

yang hampir datar) mempunyai energi tinggi. Dapat diperkirakan bahwa struktur

sikloheksana bentuk kursi dalam keadaan kapan saja.

A. Subtituen ekuatorial dan aksial

Tiap karbon cincin ( dari ) sikloheksana mengikat dua atom hidrogen. Ikatan pada

salah satu hidrogen terletak dalam bidang cincin secara kasar. Hidrogen ini disebut

hidrogen ekuatorial. Ikatan hidrogen lain, sejajar dengan sumbu tersebut; hidrogen ini

disebut hidrogen aksial ( axial-menyumbu ). Tiap atom karbon sikloheksana memepunyai

satu atom hidrogan ekuatorial dan satu atom aksial.

Sebuah gugus metil lebih meruah ( bulkier ) dari pada sebuah atom hidrogen. Bila

gugus metil dalam metilsikloheksana berada dalam posisi aksial, maka gugus metil itu

dan hidrogen- hidrogen aksial pada satu sisi cincin akan saling menolak. Antaraksi antara

gugus-gugus aksial, disebut antaraksi 1,3-diaksial. Tolak- menolak ini minimal bila gugus

metil berada dalam posisi ekuatorial. Jadi konformer dengan metil ekuatorial berenergi

lebih rendah. Pada temperatur kamar sekitar 95% molekul metilsikloheksana berada

dalam konfirmasi dimana gugus metil ekuatorial.

Bila gugus metil berada dalam posisi aksial (menyumbu), konformasi cincin akan

serupa dengan konformasi butana dengan gugus-gugus metil yang gauche. Sedangkan

bila gugus metil berada dalam posisi ekuatorial, konformasi cincin serupa konformasi

butana dengan gugus metil yang anti.

Metilsikloheksana dengan satu gugus metil yang aksial 1,8 kkal/mol kurang stabil

dibandingkan dengan konformasi dimana gugus metilnya ekuatorial. Energi dua kali

energi butana ( 2 X 0,9 kkal/mol ) karena gugus metil aksial pada cincin berantaraksi

dengan dua atom hidrogen aksial ( satu pada karbon 3 dan satu pada karbon 5 ).

Makin meruah gugus itu akan makin besar selisih antara konformer aksial dan

ekuatorial. Dengan perkataan lain, hampir dapat dipastikan bahwa substituen besar pada

cincin sikloheksana mempunyai posisi ekuatorial. Bila ukuran substituen itu mencapai

ukuran t-butil, maka selisih energi itu menjadi sangat besar. t-butil sikloheksana sering

dikatakan “ beku” dalam konformasi dimana gugus t-butil itu ekuatorial. Cincin itu tidak

benar-benar beku, tetapi selisih energi ( 5,6 kkal/mol ) antara posisi ekuatorial dan aksial

( dari ) gugus t-butil berarti bahwa pada tiap saat hanya 1 dari 10.000 molekul

mempunyai gugus t-butil dalam posisi aksial.

B. Sikloheksana terdisubstitusi

Dua gugus yang disubstitusikan pada satu cincin sikloheksana dapat bersifar cis

ataupun trans. Cincin – cincin tersubstitusi-cis dan –trans adalah isomer-isomer

geometrik dan tak dapat saling-diubah satu menjadi yang lain pada temperatur kamar ;

meskipun demikian masing-masing isomer dapat memiliki aneka ragam konformasi.

Sebagai contoh perhatikan bentuk-bentuk kursi (dari) cis- 1,2-dimetilsikloheksana.

Beberapa representasi berlainan dari cis-1,2 dimetilsikloheksana:

Karena senyawa ini adalah cis-isomer, maka kedua gugus metil itu harus terletak

pada satu sisi cincin, tanpa harus memperdulikan konformasinya. Dalam tiap konformasi

kursi yang dapat digambar, selalu satu metil aksial dan metil yang lain ekuatorial. Untuk

tiap sikloheksana ter-cis 1,2-disubstitusikan, satu substituan harus aksial dan substituen

yang lain harus ekuatorial.

Bila cis-1,2-dimetilsikloheksana berubah dari satu konformer kursi ke konformer

kursi yang lain, kedua gugus metil itu membalik status ekuatorial-aksial mereka. Energi

kedua konformer ini sama karena struktur dan pola ikatannya identik. Oleh kerena itu ,

senyawa ini dijumpai terutama dalam dua konformasi kursi, dengan perbandingan 50: 50.

Konformer cis-1,2 dimetilsikloheksana:

Dalam trans-1,2-dimetilskloheksana, gugus-gugus metil berada pada sisi- sisi

berlawanan (dari) cincin. Dalam bentuk kursi dalam bentuk trans-isomer , satu gugus

harus terletak pada suatu ikatan “teratas “ , sementara satu gugus lain pada suatu ikatan

“terbawah “.

Konformer trans 1,2-dimetilsikloheksana:

Dalam sikloheksana ter- 1,2-disubtitusikan, trans-isomer lebih stabil dari pada cis-

isomer, karena kedua subtituennya dapat berposisi ekuatorial. tetapi bila kedua substituen

itu 1,3 satu terhadap yang lain pada suatu cincin sikloheksana, maka cic-isomer lebih

stabil dari pada trans-isomer, karena kedua isomer dalam 1,3-isomer, dapat berposisi

ekuatorial. dalam trans-1,3-isomer, satu gugus terpaksa berposisi aksial.

II. ALAT DAN BAHAN

Alat-alat yang digunakan pada percobaan ini, antara lain :

1. Laptop

2. Printer

3. Scanner

4. Software Hyperchem

Bahan-bahan yang diperlukan pada percobaan ini, antara lain:

1. Kertas

2. Tinta

III. PROSEDUR KERJA

a. Sikloheksana bentuk kursi dan perahu

1. Membuat sikloheksana bentuk kursi dengan langkah-langkah sebagai berikut :

- Masuk dalam program hyperchem 6 >.

- Menampilkan table periodic dengan cara klik build pada menu bar

kemudian pilih default element.

- Meng-klik pada lambang atom karbon C pada table periodik.

- Kemudian meng-klik pada daerah kerja hyperchem, membuat

sikloheksana dengan meng-klik pada setiap sudut segi enam.

° °

° °

° °

- Kemudian menghubungkan titik-titik tersebut dengan cara mengklik

salah satu atom C , tahan dan lepas pada atom C yang paling dekat

dengannya. Begitu seterusnya sampai terbentuk segi enam.

- Untuk menambahkan atom H serta membuat bentuknya agar sesuai maka

pilih menu Add H dan Model build pada menu build.

- Untuk membuat struktur batangnya saja klik display >>rendering >>

stieks >> OK.

- Kemudian memutar-mutar bentuk yang sudah ada dengan menggunakan

menu rotate out – of – plane maupun menu rotate in plane sampai

diperoleh konformasi kursi.

2. Membuat sikloheksana bentuk perahu dengan langkah-langkah sebagai

berikut:

- Membuat sikloheksana bentuk kursi seperti pada langkah kerja 1.

- Setelah itu mengaktifkan multiple selection pada menu select.

- Meng-klik atom 1 – 2 dan 4 – 5.

-

- Memilih menu select >> name selection >> plane >>OK.

- Meng-klik kiri, tahan klik kanan, tahan, arahkan kursor sehingga

mengotaki separuh sikloheksana kursi.

- Memilih menu edit >> refleks. Kemudian klik kanan pada area kerja

untuk men non-aktifkan selection, dan diperolehlah bentuk perahu.

3. Melakukan optimasi struktur dengan cara pilih compute >> geometri

optimization >>

- Pada menu algorithm, pilih polka – ribieve.

- Pada menu RMS gradient of pilih 0,1 or 270.

- Pilih / tandai menu in vacou.

- Pada screen refresh period = 1

Pada langkah ini energi juga diperoleh.

4. Untuk lebih meyakinkan maka dilakukan lagi perhitungan energi dengan cara,

file >> start lagi >> beri nama >> set up >> ab initio >> medium >> ok >>

compute >> single point kalau sudah selesai stop lagi.

5. Membandingkan energi antara konformasi sikloheksana bentuk kursi dan

perahu yang diperoleh dari langkah sebelumnya ( setelah di optimasi ).

b. Subtituen ekuatorial dan aksial pada sikloheksana.

1. Membuat konformasi sikloheksana bentuk kursi.

2. Menghapus satu hidrogen (pada posisi aksial untuk metal sikloheksana

aksial dan pada posisi ekuatorial) dari suatu atom C.

3. Menghapus dengan cara men-select atom yang akan dihapus kemudian cut

(simbol gunting) pada menu bar.

4. Menambahkan atom C pada posisi dihapusnya atom H (baik aksial atau

pun ekuatorial).

5. Menghubugkan dengan atom C yang H – nya dihapus.

6. Kemudian memilih menu build >> Add H dan model build.

7. Menghitung energi masing – masing.

8. Membandingkan energi antara konformasi sikloheksana bentuk kursi

dengan perahu.

IV. HASIL PENGAMATAN

No Bentuk Molekul Nama

Molekul

Amber Ala Initio MM+

1. Sikloheksana

kursi

9,36441 -146964,973478 7,308950

2. Setengah

kursi

34,034836 -146933,010403 34,81863

4

3. Biduk 18,415390 -146954,278633 14,67943

3

4. Biduk belit 18,369493 -146951,143215 17,12103

1

5. Metil

sikloheksna

aksial

12,196671 -171453,880287 12,43000

4

6. Metil

sikloheksna

equator

10,914055 -171455,998832 8,673451

V. ANALISIS DATA

a. Sikloheksana bentuk kursi dan perahu.

Dari data pengamatan dapat dilihat bahwa sikloheksana dapat mempunyai

dua konformasi, yaitu konformasi kursi dan konformasi perahu (biduk).

Visualisasi konformasi kedua sikloheksana tersebut yaitu:

Dari struktur-struktur di atas dapat dilihat bahwa struktur dari konformasi

kursi mempunyai struktur hidrogen goyang (anti), dimana atom-atom hidrogen

berada sejauh mungkin satu dari yang lain. Sehingga tolak-menolak atom-atom

hidrogen cenderung tidak ada.

Sedangkan pada konformasi sikloheksana bentuk perahu struktur

hidrogennya eklips, dimana atom-atom hidrogen saling berdekatan satu dengan

yang lain dan menyebabkan terjadinya tolak-menolak antara atom-atom hidrogen

tersebut sehingga menambah energi molekulnya. Hal inilah yang membuat

konformasi sikloheksana bentuk perahu kurang stabil bila dibandingkan dengan

bentuk kursi.

Kestabilan konformasi sikloheksana juga dapat dilihat dari besarnya energi

tiap molekul dari kedua bentuk atau konformasinya. Dimana konformasi

sikloheksana bentuk kursi memiliki energi molekul yang lebih rendah

Konformasi Kursi Konformasi Perahu

dibandingkan dengan energi molekul bentuk perahu. Untuk total energi AMBER

pada sikloheksana bentuk kursi sebesar 9,364411kkal/mol dan pada total energi

MM+ 7,308950 kkal/mol. Sedangkan pada sikloheksana bentuk biduk (perahu),

total energi AMBER sebesar 18,415390 kkal/mol danpada total energi MM+

14,679433 kkal/mol. Karena energi tiap molekulnya yang lebih rendah, maka

konformasi sikloheksana bentuk kursi lebih stabil dibanding dengan konformasi

sikloheksana bentuk perahu (biduk). Dapat diperkirakan bahwa kebanyakan

molekul berbentuk kursi pada keadaan kapan saja. Berdasarkan literaturpun telah

dihitung bahwa sekitar 99% molekul sikloheksana berada dalam bentuk kursi

pada suatu waktu kapan saja.

Energi untuk interkonvensi (antar-ubahan) konformasi sikloheksana pada

AMBER dapat dilihat pada diagram berikut:

biduk

E

9,050979 kkal/mol

kursi

Energi potensial relatif (dari) konformasi – konformasi sikloheksana

Sikloheksana bentuk kursi mempunyai 2 macam konformasi yaitu

konformasi setengah kursi dan setengah kursi. Dimana nilai total energi kursi 1

dengan perhitungan AMBER sebesar 9,364411 kkal/mol dan dengan perhitungan

MM+ sebesar 7,308950 kkal/mol. Sedangkan nilai total energi setengah kursi

dengan perhitungan AMBER sebesar 34,034836 kkal/mol dan dengan

perhitungan MM+ sebesar 34,818634 kkal/mol. Disi terlihat bahwa bentuk kursi

mempunyai energi lebih rendah, sedangkan bentuk setengah kurasi mempunyai

energi yang lebih tinggi ( mempunyai struktur hampir datar). Sehingga

sikloheksana bentuk setengah kursi lebih stabil dibanding dengan konformasi

sikloheksana bentuk kursi.

b. Substituen ekuatorial dan aksial pada metil sikloheksana

Tiap karbon cincin dari sikloheksana mengikat dua atom hidrogen. Ikatan

pada salah satu hidrogen terletak dalam bidang cincin secara kasar. Hidrogen ini

disebut hidrogen ekuatorial. Ikatan ke hidrogen yang lain, sejajar dengan sumbu

tersebut, hidrogen ini disebut hidrogen aksial (axial, menyumbu). Tiap atom

karbon sikloheksana mempunyai satu atom hidrogen ekuatorial dan satu atom

aksial. Dalam proses berubah bentuk dari satu konformer ke konformer lain,

aksial menjadi ekuatorial, dan ekuatorial menjadi aksial. Makin besar gugus-

gugus yang terikat pada kedua atom karbon, maka akan besar selisih energi antara

konformasi-konformasi molekul itu. Diperlukan lebih banyak energi untuk

mendorong dua gugus besar agar berdekatan daripada gugus kecil. Selisih energi

antara konformasi metil sikloheksana bentuk ekuatorial dengan aksial menurut

perhitungan AMBER adalah sekitar sebesar 4,590333 kkal/mol. Ini menunjukkan

bahwa energi yang diperlukan oleh sikloheksana bentuk ekuatorial berotasi atau

berubah menjadi aksial adalah sebesar 4,590333 kkal/mol. Makin meruah suatu

gugus maka akan makin besar selisih energi antara konformer aksial dan

ekuatorial. Sehingga substituen besar pada sikloheksana mempunyai posisi

ekuatorial. Dilihat dari data bahwa energi konformer dengan metil sikloheksana

ekuatorial lebih rendah daripada energi konformer metil sikloheksana aksialnya.

Hal ini disebabkan karena gugus metil disini lebih meruah daripada sebuah atom

hidrogen. Bila gugus metil yang berada dalam metilsikloheksana berada dalam

posisi aksial, maka gugus itu dan hidrogen-hidrogen aksial pada satu sisi cincin

akan saling menolak. Antaraksi antara gugus–gugus aksial disebut antaraksi 1,3-

diaksial. Tolak-menolak ini minimal bila gugus metil berada dalam posisi

ekuatorial.

Pada temperatur kamar (250C) sekitar 95 % molekul metil sikloheksana

berada dalam konformasi dimana gugus metil ekuatorial. Ini dapat menyatakan

bahwa bentuk konformer metil sikloheksana ekuatorial itu lebih stabil dan lebih

disukai. Bila gugus metil berada dalam posisi aksial (menyumbu), konformasi

cincin akan serupa dengan konformasi butana dengan gugus-gugus metil yang

gauche. Dan bila gugus metil itu berada dalam posisi ekuatorial, konformasi

cincinnya serupa dengan gugus-gugus metil yang anti.

Jadi, konformer dengan metil sikloheksana ekuatorial berenergi lebih rendah

dibanding meti lsikloheksana aksial. Hal ini terlihat pada percobaan yang kami

lakukan, metil sikloheksana dengan gugus metil aksial energinya sekitar

4,590333 kkal/mol lebih tinggi dibandingkan metil sikloheksana dengan gugus

metil ekuatorial. Oleh karena itu, metil sikloheksana dengan suatu gugus metil

yang ekuatorial lebih disukai dibandingkan dengan metil sikloheksana dengan

suatu gugus metil yang aksial.

Energi untuk interkonvensi (antar-ubahan) konformasi metil sikloheksana

pada AMBER dapat dilihat pada diagram berikut:

E

4,590333 kkal/mol

ekuatorial

Energi potensial relatif (dari) konformasi – konformasi metil

sikloheksana

Pada metode yang digunakan dalam perhitungan MM+. Selisih energi

antara konformasi metil sikloheksana bentuk ekuatorial dengan aksial menurut

aksial

perhitungan MM+ adalah sekitar sebesar 0,610747 kkal/mol. Ini menunjukkan

bahwa energi yang diperlukan oleh sikloheksana bentuk ekuatorial berotasi atau

berubah menjadi aksial adalah sebesar 0,610747 kkal/mol.

0,610747 kkal/mol

ekuatorial

Energi potensial relatif (dari) konformasi – konformasi metil

sikloheksana

Metode yang digunakan dalam perhitungan adalah metode AMBER dan

MM+. Berdasarkan nilai energi total yang dihasilkan, metode AMBER lebih stabil

dibanding dengan metode MM+ karna nilai yang diperoleh lebih kecil. Selain itu,

metode AMBER digunakan pada polipeptida dan asam nukleat dengan semua

atom hidrogen diikutkan dalam perhitungan. Sedangkan metode MM+ digunakan

untuk sebagian besar spesies non-biologi. Metode AMBER juga digunakan untuk

meminimalkan peregangan ikatan energi molekul, sedangkan metode MM+

digunakan untuk menghitung entalpi pembentukan dengan melihat pada

peregangan ikatan (strain bond), pembengkokan (bonding), dan rintangan sterik.

VI. KESIMPULAN

Dari hasil percobaan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan:

aksial

E

1. Konformasi sikloheksana bentuk kursi memiliki total energi yang paling

rendah, hal ini berarti bahwa konformasi ini merupakan bentuk yang

paling stabil.

2. Energi konformer dengan metil sikloheksana ekuatorial lebih rendah

daripada energi konformer metil sikloheksana aksialnya. Hal ini berarti

bentuk konformer metil sikloheksana ekuatorial itu lebih stabil dan lebih

disukai daripada bentuk konformer metil sikloheksana aksial.

3. Metode AMBER lebih stabil dibanding dengan metode MM+ karena

dalam metode AMBER semua atom hidrogen diikutkan dalam

perhitungan.

DAFTAR PUSTAKA

Anwar, Chairil. 1995. Pengantar Praktikum Kimia Organik. Yogyakarta: UI-

Press.

Budimarwanti, dkk. 2003. Petunjuk Kimia Organik 1. Yogyakarta: UNY.

Fessenden dan Fessenden. 1982. Kimia Organik Jilid 2. Jakarta: Erlangga.

Pranowo, H.D. 2001. Pemodelan Molekul. Yogyakarta: UGM.

Syahmani dan Rilia Iriani. 2013. Panduan Praktikum Kimia Organik 1.

Banjarmasin: FKIP UNLAM.

LAMPIRAN

NOTEPAD

A. SIKLOHEKSANA1. METODE AMBER

1.1 Sikloheksana Kursi

1.2 Setengah Kursi

1.3 Biduk

1.4 Biduk Belit

2. METODE MM+2.1 Sikloheksana Kursi

2.2 Setengah Kursi

2.3 Biduk

2.4 Biduk Belit

3. METODE INITIO3.1 Sikloheksana Kursi

3.2 Setengah Kursi

3.3 Biduk

3.4 Biduk Belit

B. METIL SIKLOHEKSANA1. METODE AMBER

1.1 metil sikloheksana aksial

1.2 metil sikloheksan equator

2. METODE MM+2.1 metil sikloheksana aksial

2.2

2.32.4

2.2 metil sikloheksan equator

3 METODE INITIO3.1 metil sikloheksana aksial

3.2 metil sikloheksan equator

Perhitungan Metode (AMBER)

Energi = Total energi sikloheksana perahu – total energi sikloheksana kursi

= ( 18,415390 – 9,364411) kkal/mol

= 9,050979 kkal/mol

Energi = Total energi metil sikloheksana aksial – total energi metil sikloheksana

ekuatorial

= (12,196671 – 7,606338) kkal/mol

= 4,590333 kkal/mol

Perhitungan Metode ( MM + )

Energi = Total energi sikloheksana perahu – total energi sikloheksana kursi

= (14,679433 – 7,308950) kkal/mol

= 7,370483 kkal/mol

Energi = Total energi metil sikloheksana aksial – total energi metil sikloheksana

ekuatorial

= (12,430004 – 11,819257) kkal/mol

= 0,610747 kkal/mol