Pemodelan Molekul Dasar Zeolit Menggunakan Metode Mekanika Molekuler

PENDAHULUAN

Pemanfaatan komputer dalam pemodelan molekul dasar zeolit merupakan bidang kajian yang masih potensial. Dengan menggunakan metode kimia komputasi dapat dibuat suatu model molekul yang dapat dimodifikasi serta dianalisis. Melalui metode ini diharapkan waktu analisis dalam penelitian menjadi lebih singkat dengan biaya yang yang lebih murah.

Salahsatu metode kimia komputasi yang digunakan dalam pemodelan molekul adalah mekanika molekuler. Untuk penelitian yang bersifat kualitatif, metode mekanika molekuler ini merupakan metode yang cukup populer digunakan saat ini. Perhitungan-perhitungan dalam mekanika molekuler dilakukan berdasarkan pendekatan Born-Oppenheimer yang menyatakan bahwa gerakan elektron dan inti dapat dipisah satu dengan yang lainnya. Gerak elektronik dalam suatu molekul diabaikan dan interaksi yang diperhitungkan sebagai fungsi posisi inti atom saja (Leach,1996). Dalam perkembangannya, mekanika molekuler dapat diterapkan pada banyak penyelesaian persoalan di bidang kimia, seperti: struktur dan energi konformasi molekul organik, permukaan katalis dan ikatan hidrogen.

Pemodelan molekul dasar zeolit adalah suatu contoh penerapan metode mekanika molekuler dalam penelitian kimia katalis. Data eksperimen yang digunakan dalam pemodelan molekul dasar zeolit adalah rumus molekul, bentuk geometri, rasio Si/Al dari molekul dasar zeolit seperti faujasit, sodalit, kabasit, dll. Beberapa literatur kimia telah banyak membahas data tersebut dari berbagai tinjauan, baik aspek termodinamika, sintesa dan pemanfaatannya. Pemodelan molekul zeolit memberikan keuntungan tersendiri. Pertama, metode komputasi memungkinkan untuk membangun struktur hipotetik zeolit maupun struktur zeolit yang baru, mempelajari stabilitas dan sifat-sifat strukturnya. Kedua, kemampuan metode komputasi untuk mengembangkan teknik  memprediksi struktur zeolit berdasarkan data eksperimen yang sedikit. Melalui model molekul dapat dipelajari sifat-sifat zeolit, misalnya mengenai pengaruh rasio Si/Al dan template organik terhadap diameter rongga dalam struktur zeolit. Pengamatan terhadap diameter rongga  suatu struktur dasar zeolit  menjadi penting dilakukan karena reaksi katalisis maupun pertukaran ion terjadi di dalam rongga tersebut.

STRUKTUR DASAR ZEOLIT

Struktur dasar zeolit merupakan tetrahedral berupa atom Si atau Al dengan empat atom oksigen di sekeliling pusat tetrahedral berupa atom Si atau Al dengan empat atom oksigen di sekeliling pusat tetrahedral. Jarak antara pusat tetrahedral dengan atom oksigen mendekati 0.162 nm untuk tetrahedral silika dan mendekati 0.174 nm untuk tetrahedral alumina. Rasio Si/Al di dalam zeolit alam berkisar antara 1 sampai 6. Rasio satu ditentukan berdasarkan aturan Lowenstein yaitu tetrahedral AlO4 tidak dibenarkan berikatan dengan tetrahedral AlO4 lainnya melalui atom oksigen, sehingga didapatkan rasio Si/Al =1

Struktur zeolit menurut Meier dan Olson (Tsitsishvili et al, 1992)

1.     Unit pembangun primer merupakan unit terkecil dari kerangka zeolit yang terdiri dari beberapa tetrahedral TO. Tetrahedral-tetrahedral ini bergabung satu samalain melalui atom oksigen membentuk kerangka tiga dimensi

2.     Unit pembangun sekunder (UPS) merupakan gabungan dari dua, tiga atau lebih tetrahedral untuk membentuk lapisan tunggal atau rantai cincin. Beberapa unit pembangun sekunder diantaranya S4R (single four ring), S6R (single six ring), S8R (single eight ring) dan S5R (single five ring).

3.     Polihedral meriupakan gabungan beberapa unit pembnagun sekunder. Selanjutnya unit pembangun sekunder akan membentuk polihedral-polihedral yang besar sebagai kristal zeolit.

PEMODELAN MOLEKULER

Pemodelan molekuler merupakan suatu cara untuk menggambarkan atau menampilkan perilaku molekul atau sistem semirip dengan aslinya. Definisi lainnya menyatakan bhwa pemodelan molekuler merupakan deskripsi, representasi molekul dalam bentuk tiga dimensi dan terkait dengan sifat-sifat fisikokimia (Boyd, 1990). Pemodelan molekuler menggunakan metode-metode mekanika kuantum, mekanika molekuler, minimisasi, simulasi, analisis konformasi serta beberapa metode kimia komputasi lain yang memprediksikan perilaku molekul. Model yang umum dikenal ada dua yaitu:

1.     Model molekul dalam bentuk 'stick' yang dibuat oleh Dreiding.

2.     Model molekul berupa 'space filling' yang dibuat oleh Corey, Pauling dan Koltun. Model ini sering disebut sebagai model CPK.

KANAL

Salahsatu ciri zeolit yang membedakannya dengan katalis lain adalah mineral dengan kerangka berpori dan memiliki kanal di dalam strukturnya. Untuk zeolit sebagai katalis dan adsorben, dimensi dan likasi kanal merupakan hal yang penting. Melalui kanal tersebut molekul-molekul reaktan berdifusi dan mengadakan reaksi. Kana-kanal dalam struktur zeolit terbentuk berdasarkan pola rongga yang simetri. Nentuk kanal dan ukuran diameter kanal ditentukan oleh bentuk dan diameter rongga.

PEMODELAN MOLEKUL DASAR ZEOLIT

Pemodelan molekul dasar zeolit Umumnya dilakukan melalui tahap-tahap sbb:

1.     Pembuatan struktur molekul dari struktur dasar satu unti sel yang merupakan gabungan dari sangkar-sangkar penyusunnya secara manual.

2.     Model build pada struktur dilakukan tanpa penambahan hidrogen.

3.     Optimisasi geometri menggunakan metode yang MM. Visualisasi struktur disimpan sebagai file.hin, sedangkan hasil penelitiannya dalam file.log. Langkah ini bertujuan untuk mendapatkan bentuk geometri yang stabil, ditunjukkan oleh harga energi potensial yang minimum.

PEMODELAN DENGAN VARIASI Si/Al

Suatu tahap dalam pemodelan struktur dasar zeolit yang berguna untuk mengetahui pegaruh substitusi Al pada struktur zeolit adalah variasi Si/Al. Variasi Si/Al dilakukan dengan mengganti atom Si dengan atom Al pada struktur kemudian geometrinya dioptimisasi kembali dengan metode yang sama. Kajian tentang variasi Si/Al akan memberikan informasi tentang perubahan ukuran diameter rongga ataupun window

PEMODELAN DENGAN PENAMBAHAN TEMPLATE ORGANIK

Umumnya penambahan template organik dilakukan untuk memperbesar diameter rongga. Pemilihan jenis dan ukuran template sangat penting disesuaikan  dengan window dimana template dapat masuk. Struktur dengan tambahan template dioptimisasi geometrinya, selanjutnya pengukuran perubahan diameter rongga dan window dapat dilakukan. 

Sumber :

                               Dr. Bambang Setiaji dan Stalis Norma Ethica, S.Si.

                     Pusat Kimia Komputasi Indonesia Austria, FMIPA UGM Yogyakarta