Basis set dalam ilmu kimia adalah kumpulan fungsi matematika yang digunakan untuk menyusun gugus orbit suatu molekul. Kumpulan fungsi-fungsi matematika yang ada disusun dalam kombinasi linier dengan menyertakan nilai koefisien di dalamnya. Fungsi yang digunakan umumnya adalah gugus-gugus orbit atom penyusun molekul tersebut. Perhitungan kimia kuantum umunya dilakukan dalam satu set basis perhitungan yang terdiri atas fungsi gelombang yang ada disusun secara linier. Proses perhitungan, kumpulan orbital atomik akan disusun mengikuti kaidah Slater, yang kemudian disebut orbital Slater. Secara garis besar, orbital Slater berbentuk lengkungan eksponensial turun yang umumnya didekati dengan linier kombinasi dari fungsi gaussian (T. Daniel Crawford, 2009).
STO-nG adalah basis set terkecil dengan n sebagai nilai bilangan bulat. n akan menyatakan berapa jumlah fungsi Gaussian yang akan digunakan. Penggunaan basis set minimum ini sangat tidak dianjurkan mengingat keakuratan data. STO-nG, kode basis set yang sering digunakan (T. Daniel Crawford, 2009).
Himpunan basis diklasifikasikan menurut jumlah fungsi primitifnya dan cara pembentukan fungsi gaussian terluaskan. Himpunan basis minimal berisi satu fungsi basis untuk mewakili masing-masing (kulit dalam dan kulit valensinya) orbital atomik. Pengembangan himpunan basis lebih lanjut dilakukan dengan cara mengganti masing-masing fungsi basis dari suatu minimal himpunan basis dengan beberapa fungsi basis yang berbeda pada eksponen orbitalnya, ΞΆ, yang kemudian dikenal sebagai himpunan basis diperluas, yang termasuk dalam himpunan basis diperluas antara lain zeta ganda (DZ) yang berisikan dua kali fungsi basis dari minimal basis dan zeta rangkap tiga (TZ) yang berisikan tiga kali fungsi basis dari minimal basis. Himpunan basis valensi terbagi (SV –Split Valence-) adalah suatu kombinasi dari himpunan basis minimal dan himpunan basis diperluas. Terdapat beberapa fungsi basis untuk masing-masing orbital atomik pada elektron kulit valensi tetapi hanya satu fungsi basis untuk menggambarkan orbital atomik pada kulit dalam (Harno D Pronowo, 2001).
Jumlah himpunan basis yang digunakan untuk perhitungan molekul telah banyak dilaporkan. Himpunan basis diturunkan oleh Pople dan Huzinaga. Himpunan basis yang dikembangkan oleh Pople adalah minimal himpunan basis STO-TG, dengna L adalah Gaussian primitive yang diperluaskan menjadi satu fungsi yang menghasilkan peralakuan fungsional orbital slater. Penamaan yang berbeda diambil oleh Pople dan Huzinaga, yaitu penamaan standar untuk n-ijG atau n-ijkG, n adalah jumlah himpunan basis primitif untuk kulit dalam, ij atau ijk mewakili jumlah primitif untuk memperluaskan di kulit valensi, selanjutnya n-ijG disebut dengan himpunan basis zeta ganda dan n-ijkG disebut zeta rangkap tiga, selanjutnya kedua himpunan basis ditambah dengan fungsi polarisasi dan dispersi (Harno D Pronowo, 2001).
Fungsi polarisasi yang penting untuk menghasilkan ikatan kimia, sering diturunkan dari optimasi eksponen untuk suatu himpunan molekul dan juga dimasukan dalam semua perhitungan korelasi yang biasanya sebagai fungsi gaussian yang tidak terluaskan, sehingga prosedur ini membutuhkan lebih banyak waktu perhitungan. Notasi fungsi polarisasi adalah * atau (d). H Himpunan basis dari Pople dapat diperbesar dengan fungsi polarisasi tipe –d pada atom-atom berat seperti n-ijG* atau n-ijkG* dan dengan fungsi tipe –P pada hidrogen seperti n-ijG** atau n-ijkG** (Harno D Pronowo, 2001).
Fungsi dispersi diperlukan untuk menjelaskan fenomena pada anion dan pada ikatan yang lemah seperti ikatan hidrogen dan juga dibutuhkan untuk perhitungan sifat-sifat, seperti momen dipole, dan polarisabilitas. Fungsi gaussian ini mempunyai eksponen yang sangat kecil dan berkurang secara perlahan dengan bertambahnya jarak elektron dari inti. Notasi + untuk fungsi dispersi. Gaussian dispersi biasanya tipe-s dan tipe-p. himpunan basis dari Pople juga dapat diperbesar dengan 1 gaussian dispersi tipe-s dan tipe-p pada atom-atom berat (n-ij+G atau n-ijk+G) atau memasukan juga 1 gaussian tipe-s disperse pada atom hidrogen (n-ij++G atau n-ijk+G) (Harno D Pronowo, 2001). HyperChem merupakan program yang dapat secara teliti untuk mengetahui struktur, stabilitas dan sifat molekuldengan menggunakan perhitungan mekanika molekular apapun mekanika kuantum. Tersedia metode sederhana untuk menghasilkan struktur molekul 3D, kita dapat memilih 10 jenis metode semiempiris dan menggunakanya untuk mengoptimasi geometri suatu senyawa agar didapatkan suatu struktur yang paling stabil, kita dapat menjalankan perhitungan semiempiris mulai dari atom hidrogen sampai xenon. termasuk logam transisi. Metode ab initio dilengkapi dengan variasi himpunan basis akan dapat digunakan untuk menentukan sifat struktur molekul secara akurat.
Aplikasi Mekanika Kuantum
Beberapa sifat dan struktur molekul yang dapat diprediksi dengan menggunakan metode kimia kuantum antara lain:
• Penentuan interaksi orbital batas (frontier) antara molekul donor dan aseptor seperti yang digambarkan pada reaksi siklisasi Diels-Alder.
• Mendapatkan muatan atomik parsial menggunakan analisis populasi mulliken untuk memprediksi sisi molekul yang mudah diserang oleh preaksi.
• Menghasilkan peta potensial elektrostatik yang dapat memberikan gambaran trajektori dalam penerapan proses docking atara obat dan reseptor.
• Menghitung kerapatan spin tak berpasangan untuk mengidentifikasi sisi reaktif pada molekul atau untuk membandingkan dengan data ESR.
• Dalam bidang spektroskopi UV-Vis, perhitungan kimia kuantum dapat memperkirakan intensitas dan bilangan gelombang dari garis serapan vibrasi dan sekaligus dapat menggambarkan gerakan dari mode normal dengan menggunakan vektor dan animasi.
Kekuatan dan Fleksibilitas:
Beberapa pilihan untuk perhitungan struktur elektronik adalah:
• Sistem dengan muatan apapun dan dengan multiplisitas spin sampai harga 4 dapat dipelajari.
• Perhitungan Restricted and Unrestricted Hartree-Fock (RHF/UHF) pada sistem dan sel terbuka dapat dilakukan.
• Keadaan dasar dan keadaan tereksitasi pertama dapat dihitung.
• Dapat diterapkan perhitungan dengan metode interaksi konfigurasi (Configuration Interaction, CI) menggunakan kriteria orbital atau energi dengan single atau metode microstate.
Kita akan dapat menghasilkan hasil perhitungan yang berguna antara lain:
• Grafik kontur untuk orbital molekul, muatan dan kerapatan spin, dan potensial elektrostatik.
• Gamabaran dari diagram tingkat energi orbital.
• File Log (rekaman) yang berisikan data numerik energi, panas pembentukan, momen dipol, koefisien orbital molekul dan matrik kerapatan.
Jenis Metode Komputasi
1. Metode mekanika kuantum ab initio.
• Tersedia pilihan beberapa himpunan basis di dalam program ini. Himpunan basis standar yang biasa digunakan antara lain STO-3G, 3-21G, 6-31G* dan 6-31G**.
• Fungsi-fungsi basis ekstra (s, p, d, sp, spd) dapat ditambahkan ke atom-atom individual atau ke sekelompok atom.
• Pengguna juga dapat mendefinisikan himpunan basisnya sendiri atau memodifikasi himpunan basis yang telah ada dengan menggunakan HyperChem's documented basis set file format.
2. Mekanika kuantum semiempirik.
• Hyperchem menawarkan sepuluh metode molekular orbital semiempirik, dengan pilihan untuk senyawa organik dan senyawa-senyawa gugus utama, untuk senyawa-senyawa transisi dan untuk simulasi spektra.
• Metode yang tersedia adalah Extended Huckel (oleh Hoffmann), CNDO dan INDO (oleh Pople dkk), MINDO3, MNDO, MNDO/d dan AM1 (oleh Dewar dkk) PM3 (oleh Stewart), ZINDO/1 dan ZINDO/S (oleh Zerner dkk).
3. Mekanika molekuler
HyperChem dapat digunakan secara mudah dalam menghasilkan struktur molekul 3D, dengan pilihan 4 metode mekanika molekuler, teknik optimasi geometri untuk mendapatkan struktur molekul stabil, dan teknik dinamika molekuler untuk mendapatkan pencarian konformasi dan menginvestigasi perubahan struktur.
Penerapan metode mekanika molekuler:
• Perhitungan energi konformasi relatif dari satu seri struktur anolog (deret homolog).
• Reoptimasi peptida setelah ditentukan mutasi selktifnya.
• Mendapatkan struktur yang mendekati realitas untuk perhitungan dengan metode kimia kuantum.
• Kebolehjadian terjadinya efek sterik pada zat antara reaktif.
Empat metode medan gaya (force field) memudahkan kita untuk mengeksplorasi stabilitas dan dinamika sistem molekular untuk senyawa yang mempunyai massa ataom besar.
Untuk keperluan umum digunakan MM+, sedangkan untuk biomolekul dapat digunakan salah satu dari tiga metode medan gaya: AMBER, BIO+ dan OPLS
MM+
• Sesuai untuk sebagian besar spesies non-biologi.
• Berdasarkan MM2 (1977) yang disusun oleh N.L. Allinger.
• Menggunakan himpunan parameter 1991.
• Akan menjadi parameter default dalam kasus parameter MM2 tidak tersedia
AMBER
• Sesuai untuk digunakan pada polipeptida dan asam nukleat dengan semua atom hidrogen diikutkan dalam perhitungan.
• Medan gaya AMBER force field disusun oleh Kollman
• OPLS
• Didesain untuk perhitungan asam nukleat dan peptida
• OPLS disusun oleh jorgensen
• Parameter interaksi tak berikatan dioptimasi dari perhitungan dengan pelarut termasuk di dalamnya.
BIO+
• Dikhususkan untuk perhitungan makromolekul
• Medan gaya CHARMM disusun oleh Karplus
• Disusun Primarily designed to explore macromolecules
• Termasuk parameter CHARMM untuk perhitungan asam amino.
Perhitungan dengan metode gabungan
Hyperchem memungkinkan kita untuk menjalankan perhitungan kuantum terhadap sebagian dari sistem molekular, misalnya terhadap solut, sedangkan sisanya dihitung menggunakan metode klasik. Teknik gabungan ini (QM/MM misalnya) dapat dijalankan untuk semua metode kuantum, hanya saja agak terbatas untuk pemakaian metode ab initio.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar