Struktur kimia

Struktur molekul asam nitrat (HNO₃) memperlihatkan sudut dan ikatan.

Struktur kimia merupakan informasi penataan atom-atom dan ikatan-ikatan yang membentuk suatu senyawa kimia. Struktur ini dapat digunakan untuk membahas sebuah molekul atau kumpulan atom seperti kristal. Informasi ini termasuk geometri molekul, konfigurasi elektron, dan bahkan struktur kristal.^[1]^[2]

Geometri molekul mengacu pada penataan atom dalam ruang tiga dimensi dan umumnya juga melibatkan panjang ikatan dan sudut ikatan di antara atom-atom yang berikatan, sedangkan konfigurasi elektron merupakan deskripsi pengisian orbital dari molekul tersebut.^[3]^[4]

Struktur kimia harus mampu diterapkan untuk menjelaskan struktur molekul dengan baik, dari molekul sederhana seperti gas oksigen (O₂) dan nitrogen (N₂) hingga yang kompleks seperti protein dan DNA.^[5]^[6]

Penentuan struktur kimia

Penentuan struktur kimia merupakan salah satu kegiatan penting dalam ilmu kimia karena struktur kimia menjadi aspek inti dari ilmu ini.^[7]

Terdapat berbagai metode dalam penentuan struktur kimia, masing-masing memiliki kegunaan untuk mempelajari satu atau beberapa aspek dari senyawa tersebut. Seseorang harus mampu membedakan bagian keterikatan antaratom dalam molekul, bagian penataan dalam ruang tiga dimensi (seperti konfigurasi molekul cis-trans atau E-Z dan kiralitas), dan bagian pengukuran nilai dari panjang ikatan, sudut ikatan, dan sebagainya. Maka dari itu, upaya penentuan struktur kimia ini dimulai dari menentukan pola dan jenis ikatan yang terlibat, sebelum mendapatkan struktur tiga dimensi yang lengkap dengan besaran-besarannya.^[8]

Metode penentuan struktur umumnya melibatkan metode spektroskopi, yakni metode yang memanfaatkan interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan materi. Beberapa peraih Nobel mempopulerkan metode ini untuk mengelusidasi struktur kimia, seperti John Kendrew, Max F. Perutz, dan Dorothy Hodgkin.^[2] Beberapa di antaranya adalah sebagai berikut:

Metode untuk mencari keterikatan atom dan struktur elektronik

Spektroskopi vibrasi, inframerah, ultraungu, dan Raman untuk memberikan informasi awal mengenai gugus fungsi dan jenis ikatan;^[9]
Resonansi magnetik nuklir (proton dan karbon-13) untuk menentukan lingkungan dan gugus fungsi di sekitar suatu atom;^[10] dan
Spektrometri massa untuk menentukan massa molekul suatu molekul atau sebagian molekul; ^[11]^[12] serta
Voltammetri siklik dan spektroskopi fotoelektron sinar-x untuk menentukan sifat redoks suatu senyawa dan jenis orbital suatu zat.

Metode untuk mencari struktur tiga dimensi:

Kristalografi sinar-x untuk menentukan model tiga dimensi dari sebuah senyawa yang sudah dikristalkan^[13]^[14] dan
Mikroskopi elektron untuk mendapatkan struktur langsung suatu zat tanpa perlu tahap kristalisasi

Begitu struktur kimia dari suatu molekul sudah ditentukan, seseorang dapat membentuk representasinya menggunakan struktur Lewis (untuk keterikatan atom paling sederhana) dan bahkan dapat menggambar struktur tiga dimensi dengan model bola molekuler seperti model bola-dan-pasak atau model ruang terisi.^[15]

Geometri molekul kovalen

Begitu struktur kimia dari suatu molekul sudah ditentukan, seseorang dapat menggambarkannya dengan struktur Lewis (untuk keterikatan atom paling sederhana) dan bahkan dapat memprediksi geometri molekulnya. Untuk membangun geometri tersebut, salah satu aspek penting yang perlu ditinjau adalah sifat elektron (dan orbital yang terisi elektron) yang bermuatan negatif. Elektron yang berada pada posisi berdekatan akan mengalami tolakan sehingga geometri molekul paling optimal akan terbentuk apabila tolakan ini minimum.

Inilah yang menjadi landasan teori tolakan pasangan elektron valensi (Valence-Shell Electron Pair Repulsion, VSEPR) sehingga seseorang mampu untuk membuat perkiraan geometri dari sebuah molekul. Pasangan elektron bebas (PEB) akan mengalami tolakan yang lebih besar daripada pasangan elektron yang terlibat dalam ikatan (PEI). Teori ini mampu memberikan pendekatan yang baik dari bentuk dan struktur banyak molekul dan mampu memberikan prediksi yang akurat apabila disempurnakan dengan teori hibridisasi. Tabel di bawah menunjukkan beberapa (prediksi) geometri molekul paling umum dan senyawa-senyawa dengan geometri tersebut.

Molekul linear	Molekul angular	Molekul planar	Molekul piramidal	Molekul tetrahedral

Molekul karbonil sulfida, SCO	Molekul air, H₂O	Molekul boron trifluorida, BF₃	Molekul tiotionil, S₂F₂	Molekul silikon tetrafluorida, SiF₄
2 PEI di atom C	2 PEB + 2 PEI di atom O	3 PEI di atom B	1 PEB + 3 PEI di atom S	4 PEI di atom Si
Hibridisasi sp	Hibridisasi sp³	Hibridisasi sp²	Hibridisasi sp³	Hibridisasi sp³

Keterangan: Ikatan rangkap dihitung sebagai 1 PEI, tetapi penyederhanaan ini membuat geometri molekul yang diprediksi dengan VSEPR dapat berbeda dengan aslinya.

Apabila geometri molekul sudah ditentukan (diprediksi), senyawa tersebut dapat digambar dalam struktur tiga dimensi dengan model bola molekuler seperti model bola-dan-pasak atau model ruang terisi.^[1]

Molekul	Atom	Ion	Logam

Asam tioasetat, CH₃-COSH	Intan, C_n	Tembaga(I) Iodida, CuI₂	Logam
Ikatan kovalen molekul	Ikatan kovalen retikuler	Ikatan ionik	Ikatan logam

Jelas, ketika jumlah atom dalam molekul meningkat, kompleksitas strukturnya meningkat dan metode penentuannya makin sulit. Beberapa di antaranya adalah sebagai berikut.

Benzena	Heliks α (protein)	DNA	Hemoglobin

Kekulé (1865)^[16]^[17]	Pauling dan Corey (1951)^[18]	Watson dan Crick (1953)^[19]	Max F. Perutz (1960)^[20]^[21]

Lihat pula

Referensi

^ ^a ^b Chang, Raymond (2005). Kimia Dasar: Konsep-Konsep Inti Edisi Ketiga Jilid 1 (Edisi 3rd). Jakarta: Erlangga. ISBN 979-781-039-9.
^ ^a ^b Palenik, G. J.; Jensen, W. P.; Suh, I. H. (2003). "The History of Molecular Structure Determination Viewed through the Nobel Prizes". J. Chem. Educ. 80 (7): 753. doi:10.1021/ed080p753. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ Haaland, Arne (2008). Molecules and models: the molecular structures of main group element compounds. Oxford ; New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-923535-3. OCLC 173809048.
^ Weinhold, Frank; Landis, Clark R. (2005). Valency and bonding: a natural bond orbital donor-acceptor perspective. Cambridge, UK ; New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83128-4.
^ James, P.; Quadroni, M.; Carafoli, E.; Gonnet, J. (1993). "Protein identification by mass profile fingerprinting". Biochem. Biophys. Res. Commun. 195: 58–64. doi:10.1006/bbrc.1993.2009. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ Maxam, A. M.; Gilbert, W. (1977). "A new method for sequencing DNA". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74: 560–64. doi:10.1073/pnas.74.2.560. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ Hoffmann, Roald; Laszlo, Pierre (1991). "Representation in Chemistry". Angewandte Chemie International Edition in English. 30 (1): 1–16. doi:10.1002/anie.199100013. ISSN 1521-3773.
^ Wells, Alexander F. (2012). Structural inorganic chemistry (Edisi 5th ed., 1st publ. in paperback). Oxford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-965763-6.
^ Pavia, D. L.; Lampman, G. M.; Kriz, G. S.; Vyvyan, J. R. (2015). Introduction to Spectroscopy. Belmont: Cengage Learning. ISBN 978-128-546-012-3. OCLC 936352046. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ MacCallum, J. L.; et al. "Automatic Protein Structure Determination from Sparse NMR Spectroscopy Data". Biophys. J. 110 (3): 153a. doi:10.1016/j.bpj.2015.11.861.
^ Biemann, Klauss (2015). "Structure Determination of Natural Products by Mass Spectrometry". Annu. Rev. An. Chem. 8: 1–19. doi:10.1146/annurev-anchem-071114-040110.
^ Aebersold, R.; Mann, M. (2003). "Mass spectrometry-based proteomics". Nature. 422: 198–207. doi:10.1038/nature01511. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ Pavia, D. L.; Lampman, G. M.; Kriz, G. S. (2001). Introduction to Spectroscopy a Guide for Students of Organic Chemistry (Edisi 3rd). Philadelphia: Harcourt College Publishers. ISBN 978-003-058-427-5. OCLC 43859394. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ Supratman, U. (2008). Elusidasi Struktur Senyawa Organik. Bandung: Widya Padjadjaran. ISBN 978-602-832-350-5.
^ Hart, H.; Leslie, E. C.; David, J. H. (2003). Suminar Setiati Achmadi (ed.). Organic Chemistry: A Short Course [Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat] (Edisi 11th). Jakarta: Erlangga. ISBN 979-741-013-7. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
^ Kekulé, August (1872). "Ueber einige Condensationsproducte des Aldehyds". Liebigs Ann. Chem. 162 (1): 77–124. doi:10.1002/jlac.18721620110.
^ Rocke, A. J. (1985). "Hypothesis and Experiment in the Early Development of Kekule's Benzene Theory". Annals of Science. 42 (4): 355–81. doi:10.1080/00033798500200411.
^ Pauling L, Corey RB, Branson HR (1951). "The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain" (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 37 (5): 235–40. Bibcode:1951PNAS...37..235P. doi:10.1073/pnas.37.5.235. PMC 1063348. PMID 14834145.
^ Watson JD, Crick FH (April 1953). "Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid" (PDF). Nature. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953Natur.171..737W. doi:10.1038/171737a0. PMID 13054692.
^ Perutz, M.F.; Rossmann, M.G.; Cullis, A.F.; Muirhead, H.; Will, G.; North, A.C.T. (1960). "Structure of haemoglobin: a three-dimensional Fourier synthesis at 5.5-A. resolution, obtained by X-ray analysis". Nature. 185 (4711): 416–22. Bibcode:1960Natur.185..416P. doi:10.1038/185416a0. PMID 18990801.
^ Perutz MF (1960). "Structure of haemoglobin". Brookhaven symposia in biology. 13: 165–83. PMID 13734651.

Bacaan lebih lanjut

Warren Gallagher, 2006, "Lecture 7: Structure Determination by X-ray Crystallography," dalam Chem 406: Biophysical Chemistry, self-published course notes, Eau Claire, WI, USA:University of Wisconsin-Eau Claire, Department of Chemistry, lihat [1], diakses tanggal 2 Juli 2014.

[chang-1] Chang, Raymond (2005). Kimia Dasar: Konsep-Konsep Inti Edisi Ketiga Jilid 1 (Edisi 3rd). Jakarta: Erlangga. ISBN 979-781-039-9.

[:0-2] Palenik, G. J.; Jensen, W. P.; Suh, I. H. (2003). "The History of Molecular Structure Determination Viewed through the Nobel Prizes". J. Chem. Educ. 80 (7): 753. doi:10.1021/ed080p753. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[3] Haaland, Arne (2008). Molecules and models: the molecular structures of main group element compounds. Oxford ; New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-923535-3. OCLC 173809048.

[4] Weinhold, Frank; Landis, Clark R. (2005). Valency and bonding: a natural bond orbital donor-acceptor perspective. Cambridge, UK ; New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83128-4.

[5] James, P.; Quadroni, M.; Carafoli, E.; Gonnet, J. (1993). "Protein identification by mass profile fingerprinting". Biochem. Biophys. Res. Commun. 195: 58–64. doi:10.1006/bbrc.1993.2009. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[6] Maxam, A. M.; Gilbert, W. (1977). "A new method for sequencing DNA". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74: 560–64. doi:10.1073/pnas.74.2.560. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[7] Hoffmann, Roald; Laszlo, Pierre (1991). "Representation in Chemistry". Angewandte Chemie International Edition in English. 30 (1): 1–16. doi:10.1002/anie.199100013. ISSN 1521-3773.

[8] Wells, Alexander F. (2012). Structural inorganic chemistry (Edisi 5th ed., 1st publ. in paperback). Oxford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-965763-6.

[9] Pavia, D. L.; Lampman, G. M.; Kriz, G. S.; Vyvyan, J. R. (2015). Introduction to Spectroscopy. Belmont: Cengage Learning. ISBN 978-128-546-012-3. OCLC 936352046. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[10] MacCallum, J. L.; et al. "Automatic Protein Structure Determination from Sparse NMR Spectroscopy Data". Biophys. J. 110 (3): 153a. doi:10.1016/j.bpj.2015.11.861.

[11] Biemann, Klauss (2015). "Structure Determination of Natural Products by Mass Spectrometry". Annu. Rev. An. Chem. 8: 1–19. doi:10.1146/annurev-anchem-071114-040110.

[12] Aebersold, R.; Mann, M. (2003). "Mass spectrometry-based proteomics". Nature. 422: 198–207. doi:10.1038/nature01511. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[13] Pavia, D. L.; Lampman, G. M.; Kriz, G. S. (2001). Introduction to Spectroscopy a Guide for Students of Organic Chemistry (Edisi 3rd). Philadelphia: Harcourt College Publishers. ISBN 978-003-058-427-5. OCLC 43859394. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[14] Supratman, U. (2008). Elusidasi Struktur Senyawa Organik. Bandung: Widya Padjadjaran. ISBN 978-602-832-350-5.

[15] Hart, H.; Leslie, E. C.; David, J. H. (2003). Suminar Setiati Achmadi (ed.). Organic Chemistry: A Short Course [Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat] (Edisi 11th). Jakarta: Erlangga. ISBN 979-741-013-7. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)

[16] Kekulé, August (1872). "Ueber einige Condensationsproducte des Aldehyds". Liebigs Ann. Chem. 162 (1): 77–124. doi:10.1002/jlac.18721620110.

[17] Rocke, A. J. (1985). "Hypothesis and Experiment in the Early Development of Kekule's Benzene Theory". Annals of Science. 42 (4): 355–81. doi:10.1080/00033798500200411.

[18] Pauling L, Corey RB, Branson HR (1951). "The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain" (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 37 (5): 235–40. Bibcode:1951PNAS...37..235P. doi:10.1073/pnas.37.5.235. PMC 1063348. PMID 14834145.

[19] Watson JD, Crick FH (April 1953). "Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid" (PDF). Nature. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953Natur.171..737W. doi:10.1038/171737a0. PMID 13054692.

[20] Perutz, M.F.; Rossmann, M.G.; Cullis, A.F.; Muirhead, H.; Will, G.; North, A.C.T. (1960). "Structure of haemoglobin: a three-dimensional Fourier synthesis at 5.5-A. resolution, obtained by X-ray analysis". Nature. 185 (4711): 416–22. Bibcode:1960Natur.185..416P. doi:10.1038/185416a0. PMID 18990801.

[21] Perutz MF (1960). "Structure of haemoglobin". Brookhaven symposia in biology. 13: 165–83. PMID 13734651.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]