Analisa menggunakan HyperChem (Pemodelan Molekul Organik)

Pemodelan molekul etana/butana dan konformasinya.

1.         Masuk ke program Hyperchem.

2.         Menampilkan tabel periodik dari menu Build - Default Elemen.

3.         Menggambar molekul etana/butana, kemudian di-model build pada menu Build.

4.         Konformasi yang berbeda dari etana/butana diperoleh dengan memvariasi sudut torsi antara empat atom, dilakukan dengan men-set torsi empat atom yang sudah dipilih. Memasukkan sudut (120⁰) pada set torsion dalam menu ­Edit dan constrain torsion pada menu Build.

5.         Hasil variasi sudut torsi akan memberikan struktur dengan simetri yang berbeda. Untuk etana diperoleh dua struktur yaitu struktur stagger (bersilang) dan struktur eklips. Untuk butana diperoleh empat struktur yaitu struktur anti, struktur gauss, struktur eklips dan struktur metil eklips

1.         Masing-masing struktur disimpan sebagai file.hin sendiri, untuk dilakukan kalkulasi energi sistem.

2.         Kalkulasi dilakukan dengan metode ab initio, pilih pada menu Setup dengan basis set 6-31G*.

3.         Dihitung energinya dengan kalkulasi single point pada menu Compute, untuk optimasi geometri dikalkulasi dengan Geometry Optimization sampai diperoleh konvergensinya.

4.         Start log pada menu File dan disimpan sebagai file.log, kemudian dilakukan kalkulasi single point, setelah konvergensi diperoleh di-stop log.

5.         Membuka file.log untuk melihat energi hasil perhitungan dan dibandingkan untuk masing-masing struktur

Catatan : Pemodelan molekul dan konformasinya ini dapat diterapkan juga pada cis-trans sikloheksana dari konromasi kursi sampai konformasi perahu. 

Penentuan struktur ortho, meta atau para pada bensen tersubstitusi (Phenol)

1.         Masuk program Hyperchem.

2.       Lakukan substitusi elektrofilik (CH₃⁺, NO₂⁺, SO₃H⁺) pada posisi ortho, meta dan para. Masing-masing struktur hasil substitusi disimpan sebagai file.hin tersendiri.

3.       Lakukan perhitungan menggunakan metode ab initio dengan basis set 6-31G**, baik menggunakan single point atau optimasi geometri.

              4.    Hasil perhitungan disimpan dalam file.log untuk mengetahui energi, transfer       muatan, dan muatan atom.

Source:Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, Jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta.

Analisa menggunakan HyperChem (AB initio)

Metoda Ab initio merupakan metoda yang mempunyai akurasi paling tinggi diantara metoda penghitungan kimia komputasi lainnya seperti semi-empiris atau mekanika molekular. Sebagai konsekuensi dari pencapaian ketelitian yang tinggi dari metoda ab initio, metoda ini memerlukan waktu operasi yang tinggi sehingga metoda ini hanya mungkin diterapkan pada senyawa degan massa molekul kecil. Hal yang perlu diperhatikan adalah pada langkah pemilihan basis set. Pemilihan basis set akan sangat berpengaruh terhadap hasil yang dicapai. Untuk itu diperlukan data eksperimen sebagai pembanding. Secara teoritis, keabsahan penggunaan basis set dapat ditentukan dengan menghitung basis set superposition error yang menyatakan besarnya kesalahan penggunaan basis set dalam perhitungan.

Untuk melakukan kalkulasi dengan metoda mekanika kuantum ab initio, dipilih ab initio di menu Setup dalam program Hyperchem. Metode ab initio ini dapat digunakan untuk semua kalkulasi yang ada pada menu Compute.

Menghitung energi sistem [alkali/alkali tanah – air]

Masuk program Hyperchem.

                Menggambar sistem molekul alkali/alkali tanah (Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺) – air.

1.     Model build pada menu Build.

2.     Pilih ab initio pada menu setup. Tentukan basis set yang akan digunakan untuk masing-masing atom dalam sistem. Pilih option dan masukkan muatan dan spin multiplicity sesuai dengan sistem yang dihitung. Spin multiplicity = 2s + 1, s berharga ½ untuk satu elektron tak berpasangan.

3.     Lakukan perhitungan energi sistem dengan memilih geometry optimization atau single point pada menu compute.

4.     Perhatikan energi, muatan dan momen dipol pada hasil perhitungan.

5.     Tentukan energi interaksi antara kation dengan molekul air (intermoleculer) dengan cara menghitung energi masing-masing species menggunakan basis set yang sama dengan basis set pada penghitungan energi kompleks.

Source:Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, Jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta.

Link Download Software-software dalam Kimia Komputasi

Link Download Software-software dalam Kimia Komputasi

Molecular Materials Informatics Software Kimia Komputasi untuk Handphone (Blackberry) 

HyperChem for LINUX

Chemcraft

Molegro Molecular Viewer Product

Software Kimia Gratis

Open Directory Science Chemistry Software Physical and Theoretical 

LigandScout advanced structure-based pharmacophore modeling

ISTILAH-ISTILAH DALAM KIMIA KOMPUTASI

1. OV (Orbital Viewer) adalah perangkat lunak gratis untuk menggambarkan orbital atom dan molekul, membuat animasi maupun untuk melihat penampang lintang (struktur dalam) orbital. Dapat pula dibuat gambar 3D (yang dapat dilihat dengan kacamata 3D sperti yang digunakan untuk melihat sinetron 3D). (Modul Struktur dan Kereaktifan Kimia Anorganik, Dr. Ismunandar)
2. Molecular docking merupakan suatu teknik yang digunakan untuk mempelajari interaksi yang terjadi dari suatu kompleks molekul. Molecular docking dapat memprediksikan orientasi dari suatu molekul ke molekul yang lain ketika berikatan membentuk kompleks yang stabil. (Funkhouser, 2007).
3. Molecular modeling merupakan suatu metode untuk merancang dan menganalisis struktur dan sifat-sifat molekul tertentu dengan mengunakan teknik kimia komputasional dan teknik visualisasi grafis yang bertujuan untuk menyediakan struktur geometri tiga dimensi yang sesuai dengan parameter kondisi yang telah ditentukan. (Leach, 2001). 
4. Molecular Operating Environment (MOE) dikembangkan Chemical Computing Group (www.chemcomp.com). MOE selain menawarkan fasilitas yang cukup lengkap juga user-friendly sehingga cocok digunakan dalam pembelajaran. Hanya saja aplikasi kimia komputasi yang user-friendly biasanya mahal sehingga alasan efisiensi biaya tidak lagi relevan.
5. ab initio berasal dari bahasa latin yang diberikan untuk menandai perhitungan yang diturunkan secara langsung dari prinsip-prinsip teoritis, tanpa memasukkan data eksperimen. Ab initio mengacu pada perhitungan mekanika kuantum melalui beberapa pendekatan matematis, seperti penggunaan persamaan yang disederhanakan (Born Oppenheimer approximation) atau pendekatan untuk penyelesaian persamaan differensial.
6. BS (Balls & Sticks) adalah perangkat lunak gratis untuk menggambarkan struktur kimia, terutama kristal, dalam 3D dan dapat menghasilkan gambar bitmap yang dapat disalin ke clipboard dan ditempelkan (paste) di dokumen pengolah kata (Word misalnya).
7. Kimia kuantum adalah sebuah aplikasi mekanika kuantum pada kimia. Kimia kuantum memungkinkan kita untuk memahami dan memprediksi struktur, sifat dan mekanisme reaksi dari berbagai bahan.
8. Visualisasi data adalah proses menampilkan informasi dalam jenis representasi piktorial atau grafis. Sejumlah program komputer yang sekarang tersedia untuk menerapkan skema pewarnaan data atau bekerja dengan tiga dimensi representasi.
9. Orbital Gaussian atau Gaussian type orbitals (GTOs) adalah fungsi matematika yang menyatakan orbital atomdalam perhitungan orbital molekul. Istilah ini umum digunakan dalam kimia komputasi (kasmui) 
10. Perhitungan simbolik, perhitungan simbolik dilakukan bila sistem yang terlalu besar untuk sebuah deskripsi atom-by-atom masih layak pada setiap tingkat pendekatan. Sebuah contoh mungkin gambaran membran dengan menjelaskan lipid individu sebagai perwakilan beberapa poligon dengan beberapa ekspresi untuk energi interaksi. Pengobatan semacam ini digunakan untuk biokimia komputasi dan bahkan mikrobiologi.
11. Mekanika statistika adalah matematika berarti mengekstrapolasi sifat termodinamika bahan curah dari deskripsi molekul material. Banyak mekanika statistik masih pada tahap kertas dan pensil teori, karena mekanika kuantum tidak dapat menyelesaikan persamaan Schrödinger tepat lagi, mekanika statistik tidak benar-benar memiliki bahkan titik awal yang baik untuk perlakuan yang benar-benar ketat. Mekanika statistika perhitungan sering ditempelkan ke akhir perhitungan inito ab untuk properti fasa gas. Untuk properti fasa terkondensasi, sering molekul dinamika perhitungan diperlukan dalam rangka untuk melakukan percobaan komputasi.
     
12. Semiempirical yaitu perhitungan ditetapkan dengan struktur umum yang sama sebagai perhitungan HF. Dalam kerangka ini, potongan informasi tertentu, seperti dua integral elektron, yang didekati atau sama sekali dihilangkan. Dalam rangka untuk mengoreksi kesalahan diperkenalkan dengan menghilangkan bagian dari perhitungan, metode ini parameter, dengan melakukan suaian kurva dalam beberapa parameter atau nomor, untuk memberikan kesepakatan yang terbaik dengan data eksperimen.

source : 
Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, Jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta.
http://en.wikipedia.org/wiki/Docking_%28molecular%29 
http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_modeling 
http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_Computing_Group 
http://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_orbital
http://en.wikipedia.org/wiki/Semi-empirical

HyperChem dalam Kimia Komputasi

Program Hyperchem, merupakan program kimia aplikasi 32 bit, yang dikembangkan oleh HyperCube Inc, untuk sistem operasi Windows 95/98, Windows NT, Windows XP, Windows Vista, Windows 7 dan Linux. HyperChem merupakan program handal dari pemodelan molekul yang telah diakui mudah digunakan, fleksibel dan berkualitas, dengan menggunakan visualisasi dan animasi tiga dimensi hasil perhitungan kimia kuantum, mekanika dan dinamika molekuler, menjadikan HyperChem terasa sangat mudah digunakan dibandingkan dengan program kimia kuantum yang lain.
program kimia menyediakan fasilitas pembuatan model tiga dimensi (3D), perhitungan mekanika molekuler dan mekanika kuantum (semiempiris dan ab initio), disamping itu tersedia pula database dan program simulate Monte Carlo dan molecular dynamic (MD)

Fasilitas yang disediakan oleh program standar ini adalah:

• Input Struktur dan Manipulasi (Structure Input and Manipulation)
• Display Molekul (Molecular Display)
• Kimia Komputasi (Computational Chemistry)
• Metode Komputasi (Computational Methods)

Input Struktur dan Manipulasi

1. Mengambar molekul dengan program ini relatif sederhana. Pilih unsur dari tabel periodik, kemudian di click dan ditarik dengan mouse, dengan mouse kita dapat mengontrol rotasi di sekitar ikatan, mengatur stereokimia molekul dan mengubah struktur.
2. Dengan mouse-controlled tools kita dapat melakukan seleksi, rotasi dan translasi serta mengubah ukuran struktur. Setting pada menu harus dimodifikasi terlebih dahulu untuk mengontrol operasi dari tools.
3. Untuk mengkonversi struktur 2D menjadi struktur 3D dapat dikerjakan dengan Hyperchem's model builder.
4. Penggunaan constraint terhadap struktur relatif mudah, kita dapat melakukan constraint terhadap panjang ikatan, sudut ikatan, sudut torsi dan juga terhadap atom yang diinginkan.

Display Molekuler (Molecular Display)

1. Pilihan rendering: ball and stick, fused CPK spheres dengan pilihan shading and highighting, juga vdw dots, cylinders dan overlapping spheres.
2. Ribbon rendering untuk protein backbones, dengan pilihan sidechain display.
3. 3D isosurfaces atau 2D contour plots untuk: muatan total, kerapatan muatan, orbital molekul, kerapatan spin, potensial elektrostatik (ESP), ESP dipetakan pada 3D charge density surface.
4. Pilihan isosurface rendering: wire mesh. Jorgensen-Salem, transparent dan solid surfaces, gouraud shaded surface.
5. Selama simulasi dapat ditampilkan rerata energi kinetik, energi potensial, energi total dan parameter molekul seperti panjang ikatan, sudut ikatan, dan sudut torsi.
6. Animasi mode vibrasi dari spektra IR

Kimia Komputasi
 

Dengan HyperChem kita dapat mengeksplorasi model energi permukaan potensial secara klasik atau kuantum dengan single point, optimasi geometri atau perhitungan dalam mencari keadaan transisi, selain itu kita dapat juga mempelajari pengaruh gerakan termal dengan molecular dynamics, Langevin dynamic atau simulasi Metropolis Monte Carlo.

Jenis Perhitungan

Terdapat beberapa tipe perhitungan, antara lain kalkulasi single point, optimasi geometri, frekuensi vibrasi, pencarian keadaan transisi, simulasi dinamika molekuler, simulasi dinamika Langevin dan simulasi Monte Carlo.

1. Perhitungan single point dapat digunakan untuk menentukan energi molekul dari struktur yang ditentukan (tanpa proses optimasi)
2. Perhitungan optimasi geometri menggunakan algoritma minimasi energi untuk mendapatkan struktur paling stabil. tersedia 5 algoritma minimasi.
3. Perhitungan frekuensi vibrational dimaksudkan untuk mencari mode vibrasi normal dari suatu struktur teroptimisasi. Spektrum teroptimasi dapat ditampilkan dan gerakan vibrasi yang berkaitan dengan transisi spesifik dapat dianimasikan.
4. Pencarian keadaan transisi dilakukan dengan menentukan struktur metastabil yang bersesuaian dengan keadaan transition menggunakan metode Eigenvector Following atau Synchronous Transit. Sifat-sifat molekulernya kemudian dapat dihitung, dua metode untuk melokasikan keadaan transisi diimplementasikan di dalam HyperChem 5.

• Metode Eigenvector Following sangat cocok digunakan untuk prosses unimolekular atau setiap sistem molekular yang mode vibrasi naturalnya cengerung menuju ke suatu keadaan transition.
• Metode synchronous transit khususnya berguna jika reaktan dan produk sangat berbeda, terdapat dua metodologi Synchronous transit yang diimplementasikan di dalam HyperChem yaitu Linear Synchronous Transit (LST) dan Quadratic Synchronous Transit (QST).

1. Simulasi Molecular dynamics menghitung trajektori klasik untuk sistem molekular. Waktu pemanasan, keseimbangan dan pendinginan dapat diterapkan dalam simulasi ini juga dapat digunakan untuk proses-proses yang bergantung pada perubahan waktu. Simulasi dapat dilakukan pada energi konstan atau temperatur konstan.
2. Langevin dynamic simulations untuk memodelkan secara implisit molekul-molekul pelarut.
3. Simulasi Monte Carlo Metropolis berguna untuk mengeksplarasi konfigurasi yang mungkin dari suatu sistem dalam keadaan keseimbangan dan menentukan sifat sistem yang dinyatakan sebagai harga rata-rata untuk seluruh sistem yang sudah berada dalam keadaan keseimbangan.

Hasil Perhitungan dengan HyperChem
Prediksi:
HyperChem dapat digunakan untuk menentukan berapa sifat struktur antara lain:

1. Stabilitas relatif dari beberapa isomer
2. Panas pembentukan
3. Energi aktivasi
4. Muatan atom
5. Beda energi HOMO-LUMO
6. Potensial ionisasi
7. Afinitas elektron
8. Momen dipol
9. Tingkat energi elektronik
10. Energi korelasi elektron MP2
11. Energi keadaan tereksitasi CI
12. Sifat dan struktur keadaan transisi
13. Energi interaksi non-bonded
14. Spektra serapan UV-VIS
15. Spektra absorpsi IR
16. Pengaruh isotop pada vibrasi
17. Spektra serapan IR
18. Efek collision pada sifat struktur
19. Stabilitas dari kluster

Simulasi

1. Interaksi docking
2. Pengaruh temperatur pada gerakan molekul
3. Pengaruh pelarut pada struktur dan dinamika
4. Interaksi intermolekuar pada kluster

source : Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, Jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta.

Manfaat Belajar Kimia Komputasi

Ada beberapa alasan mengapa kimia komputasi penting untuk pembelajaran kimia. Peserta didik memerlukan belajar untuk “berfikir seperti molekul erfikir”. Untuk melakukan ini pserta didik memerlukan upaya “melihat” apa yang molekul lihat, dan “merasa” apa yang dirasakan molekul. Model memberikan gambaran paling baik dan secara langsung dapat menggambarkan dunia molekular. Perangkat lunak kimia seperti HyperChem memberikan fasilitas memadai untuk “melihat” bentuk molekul, menikmati vibrasi ikatan antar atom yang terekam sebagai spektra infra merah, dan dinamika perubahan struktur molekul akibat pengaruh sistem reaksi. VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) dapat memodelkan bentuk molekul, dan orbital molekul Hoeckel mampu memprediksi tingkat energi ikatan adalah sebagian dari upaya mengubah teori ke dalam prediksi kimia. Metode kimia komputasi memberikan hasil pengujian yang jauh lebih memadai dari prediksi teoritis. Model mudah untuk digunakan, tidak mahal dan aman.

Ruang Lingkup Kimia Komputasi

             Pemodelan molekular (molecular modeling) adalah teknik menginventasi struktur dan sifat molekular menggunakan kimia komputasi dan teknik visualisasi grafis dalam upaya menghasilkan gambaran tiga dimensi yang teliti dari suatu sistem kimia. Perkembangan komputer grafis sangat membantu analisis kimia dan visualissasi interaksi molekular sistem kimia sehingga hampir semua jurnak ilmiah kimia dilengkapi dengan hasil visualisasi molekul sistem kimia oyang dijadikan obyek penelitian.

               Informasi kimia (chemical informatics) merupakan aplikasi teknologi komputer pada semua bidang kimia. Bidang yang banyak menggunakan teknik informasi kimia adalah industri obat. Peneliti informasi kimia berhadapan dengan data sangat besar sehingga perlu dibuat sistem informasi yang membantu kimiawan untuk memprediksi sifat kimia senyawa. Teknik ini serupa dengan yang telah dilakukan oleh mendeleev ketika berhasil menetapakan posisi dan sifat unsur yang belum diketahui pada tabel periodik unsur. Penerapan teknologi informasi kimia telah membantu ahli kimia mengorganisir dan menganalisis data ilmiah yang tersedia, dalam rangka menghasilkan senyawa dan proses yang baru.

Peran Kimia Komputasi dalam bidang Desain Molekul Obat

              Metode in vitro dan in vivo lazim digunakan dalam proses penemuan obat. Komputer menawarkan metode in silico, merupakan suatu metode yang menggunakan kemampuan komputer dalam merancang obat sebagai komplemen dari in vitro dan in vivo. Kemampuan komputasi meningkat secara eksponensial merupaka peluang mengembangkan simulasi dan kalkulasi dalam merancang obat baru.

           Desain obat merupakan proses iterasi dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukan sifat biologi penting dan diakhiri dengan langkah optimasi, baik dari profil aktivitas maupun sintesis senyawa kimia. Tanpa pengetahuan lengkap tentang proses biokkimia yang bertanggungjawab terhadap aktivitas biologis, hipotesis desai obat pada umumnya didasarkan pada pengujian kemiripan struktural dan pembedaan antara molekul aktif dan tidak aktif. Kombinasi antara strategi mensintesis dan uji aktivitasnya menjadi sangat rumit dan memerlukan waktu yang lama untuk sampai pada pemanfaatan obat. Dengan kemajuan di bidang komputasi, peneliti dapat menggunakan komputer untuk mengoptimasi aktivitas, geometri dan reaktivitas, sebelum senyawa disintesis secara eksperimental. Hal ini dapat menhindarkan langkah sintesis suatu senyawa yang membutuhkan waktu dan biaya mahal, tetapi senyawa baru tersebut tidak memiliki aktivitas seperti yang diharapkan.

          Keberadaan komputer yang dilengkapi dengan aplikasi kimia komputasi, memungkinakan ahli kimia komputasi medisinal menggambarkan senyawa obat secara tiga dimensi (3D) dan melakukan komparasi atas dasar kemiripan dan energi dengan senyawa lain yang sudah diketahui memiliki aktivitas tinggi (pharmacophore query). Berbagai senyawa turunan dan analog dapat “disintesis” secara in silico atau yang sering diberi istilah senyawa hipotetik.

Tantangan Kimia Komputasi di masa depan

           Kimia komputasi dapat membantu dalam bidang desain dan optimasi proses yang baru atau proses yang sedang berjalan maupun optimasi produk. Kimia komputasi dapat mereduksi biaya pengembangan, meningkatkan efisiensi energi, dan daya guna lingkungan, sehingga menaikkan produktivitas dan keuntungan. Walaupun kimia komputasi dapat diterapkan pada bidang industri, tetapi masih banyak keterbatsan. Hal ini disebabkan karena keterbatasan skala permasalahan industri yang dimodelkan, juga adanya kesulitan dalam validasi dan kesesuaian hasil permodelan molekul. Hambatan lain adalah menghasilkan perangkat lunak komersil yang dengan mudah digunakan oleh masyarakat. Keterbatasan ini disebabkan karena kualifikasi masyarakat pengguna yang masihkurang, jumlah peminat yang sedikit, dan kurangnya publikasi informasi dan pendidikan tentang keuntungan penggunaan kimia komputasi dalam bidang yang digeluti masing-masing individu.

             Idealnya, kimia komputasi mempunyai sifat (1) dapat diterapkan pada sistem bervariasi, yaitu berlaku untuk sistem  yang besar, waktu operasi yang panjang, sistem cairan atau padatan, (2) fleksibel, dapat dijalankan pada berbagai platform komputasi (perangkat keras)

Dan perangkat lunak, dan didukung oleh visualisasi grafis yng memadai, (3) kemampuan tinggi, mampu dijalankan pada desktop atau platform komputasi paralel berbiaya murah, (4) mudah digunakan, mekanisme penggunaan yang sederhana dan sistem yang canggih untuk dapat digunakan oelh pengguna dengan kemampuan rata-rata, (5) validasi eksperimental, hasil perhitungan komputasi divalidasi secara eksperimental, (6) termasuk dalam kurikulum pendidikan, yaitu dapat diberikan pada S1, S2, maupun S3 melalui kuliah dan praktikum.

             Permasalahan utama utntuk pemanfaatan komputer adalah keberadaan aplikasi kimia komputasi yang memadai dan lengkap. Salah satu aplikasi kimia komputasi yang memadai untuk penemuan obat adalah Molecular Operating Environment (MOE) yang dikembangkan Chemical Computating Group (www.chemcomp.com). MOE selain menawarkan fasilitas yang cukup lengkap juga user-friendly sehingga cocok digunakan dalam pembelajaran. Hanya saja aplikasi tersebut biasanya mahal sehingga alasan efisiensi biaya tidak relevan.

source: Prof. Dr. Harno Dwi Pranowo, M.Si. Peran Kimia Komputasi dalam Desain Molekul Obat, Universitas Gajah Mada