advanced computational chemistry part 4 introduction and short of solvation

Kali ini kita akan memasuki pembahasan keempat tentang advanced computational chemistry yaitu tentang solvasi alias pemodelan dalam fasa cair. Mengapa hal ini penting untuk dibahas? Hal ini dikarenakan sebagian besar reaksi kimia terjadi di larutan atau fasa cair sehingga memahami apa yang sebenarnya yang sedang terjadi di larutan menjadi sangat penting dan urgen. Selain itu, karena sebagian besar tubuh manusia juga tersusun dari cairan, maka kebanyakan reaksi-reaksi biologis dalam tubuh kita juga terjadi dalam fasa cair.

Jika kita bicara larutan pasti tidak akan pernah lepas dari apa yang disebut dengan solvasi (meski kuliah tentang kimia larutan tidak ada yang ada kimia zat padat hehe). Solvasi adalah pengelilingan molekul zat terlarut oleh molekul-molekul pelarut (simpelnya sih begitu). Mengapa kita harus mempelajari solvasi dan apa pentingnya solvasi itu? Ini adalah hal yang terngiang-ngiang di kepalaku dulu. Mempelajari sistem solvasi sangat penting pertama, karena setiap logam yang larut di pelarut pasti akan berada dalam bentuk ionnya dan ion ini akan dikelilingi sejumlah tertentu pelarut, sesuai dengan kekuatan ionnya sehingga jika logam ini kemudian diikat menggunakan ligan logikanya yang berinteraksi dengan ligan pengikat adalah molekul air yang mensolvasi dengan logam, bukan logam itu sendiri sehingga kavitas dari ligan pengikat haruslah cukup besar untuk mengikat logam beserta molekul pelarut yang mensolvasinya. Kedua, karena logam tadi tersolvasi otomatis secara keseluruhan ukuran logam + pelarut yang mensolvasinya akan menjadi lebih besar daripada ukuran kation logam tadi sehingga hal inilah yang menyebabkan selektifitas channel sistem biologis. Jadi solvasi berperan penting dalam biologis.

Setelah memahami arti penting dari solvasi, maka sekarang kita bisa membahas sedikit tentang solvasi dalam pemodelan molekular. Secara sederhana, ada dua pilihan ketika kita akan memodelkan solvasi sebuah sistem, menggunakan pemodelan dalam fasa cair atau mikrosolvasi. Dalam mikrosolvasi pemodelan tetap dilakukan dalam fasa gas hanya saja pada logam yang berinteraksi dengan ligan ditambah beberapa molekul air sesuai dengan shell pertama solvasinya, bisa satu atau dua. Tentu saja penambahan molekul air ini akan mempengaruhi interaksi antara logam dengan ligan serta mengubah nilai energi interaksinya. Contoh dari mikrosolvasi ditampilkan pada gambar berikut :


Secara energetika, harga dari perubahan entalpi penambahan beberapa molekul air masih bernilai negatif, artinya masih mungkin terjadi di sistem sebenarnya. Namun, jika molekul air terus ditambahkan dalam sistem mikrosolvasi maka harga entalpi bisa bernilai positif (seperti yang ditunjukkan salah serang teman). Hal ini menunjukkan bahwasanya shell pertama solvasi mengikat solvent dalam jumlah terbatas, ketika molekul solvent terus ditambahkan maka akan menyebabkan ketidakstabilan shell solvasi. Kedua, solvasi memang berperan penting dalam interaksi logam dengan ligan (misalnya crown eter). Ketiga, dalam beberapa kasus mikrosolvasi tidak realistis sehingga harus dilakukan pemodelan dalam fasa cair.

Jika kita mau berpikir sejenak, apa sih sebenarnya yang membedakan antara gas, cair dan padat? Jawabannya secara sederhana adalah jarak interaksi antar masing-masing molekul. Pada fasa gas molekul-molekul cenderung berjauhan sehingga interaksinya lemah. Bisa juga dikatakan dalam fasa gas, molekul-molekul akan terisolir dan tidak berinteraksi satu sama lain. Jarak interaksi ini akan memendek dalam fasa cair dan padat sehingga fasa keduanya menjadi berbeda. Selain itu, perbedaan interaksi menjadikan harga massa jenisnya menjadi berbeda-beda. Jadi, dalam fasa cair kita harus meletakkan banyak molekul dalam jarak interaksi tertentu dan memenuhi harga massa jenis zat tersebut dalam fasa cairan. Hal ini bisa dilakukan dengan mudah dalam simulasi molekular, di mana dengan ukuran box tertentu kita harus meletakkan sejumlah besar molekul air (pelarut) agar massa jenisnya sama dengan massa jenis air dalam fasa cair. Oia, mengapa jumlah molekul harus banyak? Hal ini untuk menghindari perubahan massa jenis selama simulasi karena dalam simulasi dikenal adanya Minimum Image Convention, di mana satu molekul air bisa “keluar” kemudian “masuk” lagi dari arah yang sebaliknya.

Oke, sekarang sudah bisa dipahami bahwa salah satu cara memodelkan fasa cair adalah dengan menempatkan sejumlah besar molekul pelarut dalam box (simulasi) sehingga terpenuhi harga massa jenisnya dalam fasa cairan. Cara ini digunakan ketika kita memerlukan data struktural dan dinamika dari sebuah sisitem solvasi. Mengapa? Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut : Tidak semua molekul pelarut akan emengelilingi ion, baik itu ion positif ataupun negatif tetapi akan terbagi menjadi beberapa shell, yang menjadi fokus dalam pembahasan biasanya adalah shell pertama dan kedua. Mengapa? Karena shell pertama masih dipengaruhi oleh kekuatan ion sehingga jumlahnya tertentu sesuai dengan kekuatan ion tersebut. Sementara itu, shell kedua hanya dipengaruhi oleh gaya-gaya lemah antar molekul seperti ikatan hidrogen. Oleh karena itu, bagaimana struktur solvasi di shell pertamalah yang biasanya menjadi fokus. Entah berapa bilangan koordinasi (atau berapa jumlah molekul yang mensolvasi), kestabilan sistem solvasi, apakah nanti solvent saling keluar masuk dari shell pertama ke shell kedua dst.

Nah, metode ini termasuk sulit lho (meski aku sendiri belum pernah mencobanya sendiri :p). Bayangkan saja bagaimana caranya kalian akan meletakkan ratusan molekul pelarut dalam box? tentu tidak sembarangan kan, terus bagaimana caranya menggambarkan interaksi antar masing-masing molekul pelarut, belum lagi koreksi interaksi dua atau tiga badan, bagaimana cara membuat interaksi antara ion dengan solvent, berapa jumlah molekul solvent yang harus diletakkan di shell pertama dst. Inilah pusingnya dan sulitnya menggunakan simulasi molekular🙂. Belum lagi perangkat komputasi yang harus digunakan, waktu yang diperlukan hingga selesai. Oleh karena itu, biasanya metode seperti ini digunakan dalam simulasi dinamika molekular, baik mekanika kuantum/mekanika molekular atau full mekanika molekular. Agar bahasan ini tidak semakin menjurus ke simulasi, maka aku cukupkan sekian saja. Jika ingin bicara simulasi, bisa dibahas di lain waktu😀.

Karena kesulitan-kesulitan dengan metode pertama tadi, yaitu dengan explicit solvent, maka lahirlah apa itu yang dinamakan dengan implicit solvent. Kapan kita menggunakan metode yang kedua ini? Yaitu ketika kita tidak terlalu berfokus pada data struktural dan dinamika tetapi hanya energi yang menjadi fokus kita. Nah, bagaimana detail dari metode ini, kita sambung di tulisan selanjutnya😀.

One thought on “advanced computational chemistry part 4 introduction and short of solvation

  1. Pingback: advance computatinal chemistry part 4A. Continuum solvation model « neax502 simple blog

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s