Metode Kimia Komputasi

HyperChem merupakan program yang dapat secara teliti untuk mengetahui struktur, stabilitas dan sifat molekul dengan 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.

Refrensi: Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, UGM Yogyakarta