REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFIL DAN ALKIL HALIDA

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFIL DAN ALKIL HALIDA

Mempelajari ilmu kimia sangatlah penting, salah satunya yaitu kimia organik. Disini saya akan membahas mengenai salah satu reaksi kimia organik dan mekanismenya, yaitu reaksi substitusi nukleofil alkil halida. Jadi sebelum mempelajari dan mengenal lebih jauh seperti apa mekanisme reaksi substitusi nukleofil pada alkil halida, mari kita memahami apa itu reaksi substitusi nukleofil dan alkil halida.

A. Reaksi Substitusi Nukleofil

     Jika kita melihat salah satu contoh reaksi substitusi nukleofil yang khas, seperti etil bromida yang bereaksi dengan ion hidroksida akan menghasilkan etil alcohol dan ion bromida. Disini ion hidroksida adalah nukleofil yang bereaksi dengan substrat ( etil bromida ) dan menggantikan ion bromida. Ion bromida dinamakan gugus pergi ( leaving group ). Dalam reaksi jenis ini, satu ikatan kovalen putus, dan satu ikatan kovalen baru terbentuk. Dalam contoh lain, ikatan karbon-bromin putus dan ikatan karbon-oksigen terbentuk. Gugus pergi ( bromide ) mengambil kedua electron dari ikatan karbon-bromin, dan nukleofil ( ion hidroksida ) memasok kedua electron untuk ikatan karbon-oksigen yang baru.

     Gagasan ini merupakan generalisasi dari persamaan berikut :

       Nu :         +         R : L    ---à  R : Nu⁺   +    : L^-

Nukleofil netral        substrat               produk       gugus pergi

        Nu :  ^-       +         R : L     ---à   R : Nu     +    : L^-

Nukleofil anion        substrat              produk         gugus pergi

Jika nukleofil dan substrat bersifat netral maka produk akan bermuatan positif. Jika nukleofil berupa ion negative dan substratnya netral maka produknya akan netral. Pada prinsipnya reaksi ini bersifat reversible ( dapat balik ) ( Crain,at.al.,2003:195  ).

B. Alkil halida

     Alkil halida merupakan turunan hidrokarbon di mana satu atau lebih hidrogennya diganti dengan halogen. Tiap-tiap hidrogen dalam hidrokarbon potensil digantikan dengan halogen, bahkan ada senyawa hidrokarbon yang semua hidrogennya dapat diganti. Senyawa terfluorinasi sempurna yang dikenal sebagai fluorokarbon, cukup menarik karena stabil pada suhu tinggi. Alkil halida juga terjadi di alam, meskipun lebih banyak terjadi dalam organisme air laut daripada organisme air tawar. Halometana sederhana seperti CHCl3, CCl4, CBr4, CH3I, dan CH3Cl ( Firdaus:1 ).

     Kimiawan sering menggunakan RX sebagai notasi umum untuk organik halida, R menyimbolkan suatu gugus alkil dan X untuk suatu halogen. Perlu dicatat bahwa halogen adalah atom-atom berelektrogenatif tinggi dan hanya kekurangan satu elektron untuk mencapai konfigurasi gas mulia. Oleh itu halogen dapat membentuk ikatan kovalen tunggal atau ionik yang stabil. Ikatan antara gugus metil dengan fluor, klor, brom, dan ioda terbentuk oleh tumpang tindih orbital sp3 dari karbon dengan orbital sp3 dari fluor, klor, brom, dan iod. Kekuatan ikatan C¾X menurun dari metil fluorida ke metil iodida. Hal ini mencerminkan prinsip umum bahwa tumpang tindih orbital-orbital lebih efisien antara orbital-orbital yang mempunyai bilangan kuantum utama yang sama, dan efisiensinya menurun dengan meningkatnya perbedaan bilangan kuantum utama. Perlu pula dicatat bahwa halogen adalah lebih elektronegatif daripada karbon, sehingga ikatan C-X bersifat polar di mana karbon mengemban muatan posisif partial (δ+) dan halogen muatan negatif partial (δ-) ( Firdaus:2 ).

C. Reaksi Substitusi Nukleofil Alkil Halida

     Suatu nukleofil (Z:) menyerang alkil halida pada atom karbon hibrida-sp3 yang mengikat halogen (X), menyebabkan terusirnya halogen oleh nukleofil. Halogen yang terusir disebut gugus pergi. Nukleofil harus mengandung pasangan elektron bebas yang digunakan untuk membentuk ikatan baru dengan karbon. Hal ini memungkinkan gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron yang tadinya sebagai elektron ikatan. Ada dua persamaan umum yang dapat dituliskan:

Yang contohnya masing-masing yaitu :

     Dalam senyawa alkil halide , ikatan antara karbon-halogen adalah ikatan yang bersifat polar, dimana atom karbon kurang akan electron. Disini alkil halide adalah suatu elektrofil dan reaksi akan bersifat polar yang melibatkan bahan yang bersifat nukleofil dan basa. Reaksi akan berlangsung jika terjadi tumbukan antara substrat dan pereaksi. Dalam setiap reaksi selalu ada hubungan antara kecepatan reaksi dan konsentrasi, pengetahuan yang mempelajari hubungan ini disebut kinetika reaksi.

     Reaksi yang berlangsung pada suhu dan konsentrasi tertentu akan menghasilkan kecepatan reaksi tertentu. Jika konsentrasi OH kita lipatkan menjadi 2 kali, sehingga kecepatan tumbukan di antara kedua zat yang bereaksi juga menjadi 2 kali. Ini dapat dikatakan bahwa reaksi tersebut dinamakan reaksi orde dua reaksi substitusi bimolekuler (SN2 ) (Riswayanto;180).

D. Mekanisme Reaksi Nukleofil

     Pada dasarnya terdapat dua mekanisme reaksi substitusi nukleofilik. Mereka dilambangkan dengan SN2 adan SN1. Bagian SN menunjukkan substitusi nukleofilik, sedangkan arti 1 dan 2 akan dijelaskan kemudian.

Mekanisme SN2

      Mekanisme SN2 adalah proses satu tahap yang dapat digambarkan sebagai berikut:

Nukleofil menyerang dari belakang ikatan C¾X. Pada keadaan transisi, nukleofil dan gugus pergi berasosiasi dengan karbon di mana substitusi akan terjadi. Pada saat gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron, nukleofil memberikan pasangan elektronnya untuk dijadikan pasangan elektron dengan karbon. Notasi 2 menyatakan bahwa reaksi adalah bimolekuler, yaitu nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi dalam mekanisme reaksi.

Adapun ciri reaksi SN2 adalah:

1. Karena nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi, maka kecepatan reaksi tergantung pada konsentrasi kedua spesies tersebut.

2. Reaksi terjadi dengan pembalikan (inversi) konfigurasi. Misalnya jika kita mereaksikan (R)-2-bromobutana dengan natrium hidroksida, akan diperoleh (S)-2-butanol.

     Ion hidroksida menyerang dari belakang ikatan C¾Br. Pada saat substitusi terjadi, ketiga gugus yang terikat pada karbon sp3 kiral itu seolah-olah terdorong oleh suatu bidang datar sehingga membalik. Karena dalam molekul ini OH mempunyai perioritas yang sama dengan Br, tentu hasilnya adalah (S)-2-butanol. Jadi reaksi SN2 memberikan hasil inversi.

3. Jika substrat R-L bereaksi melalui mekanisme SN2, reaksi terjadi lebih cepat apabila R merupakan gugus metil atau primer, dan lambat jika R adalah gugus tersier. Gugus R sekunder mempunyai kecepatan pertengahan. Alasan untuk urutan ini adalah adanya efek rintangan sterik. Rintangan sterik gugus R meningkat dari metil < primer < sekunder < tersier. Jadi kecenderungan reaksi SN2 terjadi pada alkil halida adalah: metil > primer > sekunder >> tersier.

Mekanisme SN1

     Mekanisme SN1 dalah proses dua tahap. Pada tahap pertama, ikatan antara karbon dengan gugus pergi putus.

Gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron, dan terbentuklah ion karbonium. Pada tahap kedua (tahap cepat), ion karbonium bergabung dengan nukleofil membentuk produk.

Pada mekanisme SN1, substitusi terjadi dalam dua tahap. Notasi 1 digunakan sebab pada tahap lambat hanya satu dari dua pereaksi yang terlibat, yaitu substrat. Tahap ini sama sekali tidak melibatkan nukleofil.

Berikut ini adalah ciri-ciri suatu reaksi yang berjalan melalui mekanisme SN1:

1. Kecapatan reaksinya tidak tergantung pada konsentrasi nukleofil. Tahap penentu kecepatan reaksi adalah tahap pertama di mana nukleofil tidak terlibat.

2. Jika karbon pembawa gugus pergi adalah bersifat kiral, reaksi menyebabkan hilangnya aktivitas optik karena terjadi rasemik. Pada ion karbonium, hanya ada tiga gugus yang terikat pada karbon positif. Karena itu, karbon positif mempunyai hibridisasi sp2 dan berbentuk planar. Jadi nukleofil mempunyai dua arah penyerangan, yaitu dari depan dan dari belakang. Dan kesempatan ini masing-masing mempunyai peluang 50 %. Jadi hasilnya adalah rasemit.

Reaksi substrat R-X yang melalui mekanisme SN1 akan berlangsung cepat jika R merupakan struktur tersier, dan lambat jika R adalah struktur primer. Hal ini sesuai dengan urutan kestabilan ion karbonium, 3o > 2o >> 1o ( Firdaus;8 ).

Perbandingan Mekanisme SN1 dan SN2

     Tabel berikut memuat ringkasan mengenai mekanisme substitusi dan mebandingkannya dengan keadaan-keadaan lain, seperti keadan pelarut dan struktur nukleofil. Perlu diperhatikan bahwa halida primer selalu bereaksi melalui mekanisme SN2, sedangkan halida tersier melalui mekanisme SN1. Pada halida sekunder, terdapat dua kemungkinan.

Pada tahap pertama dalam mekanisme SN1 adalah tahap pembentukan ion, sehingga mekanisme ini dapat berlangsung lebih baik dalam pelarut polar. Jadi halida sekunder yang dapat bereaksi melalui kedua mekanisme tersebut, kita dapat mengubah mekanismenya dengan menyesuaikan kepolaran pelarutnya. Misalnya, mekanisme reaksi halida sekunder dengan air (membentuk alkohol) dapat diubah dari SN2 menjadi SN1 dengan mengubah pelarutnya dari 95% aseton-5% air (relatif tidak-polar) menjadi 50% aseton-50% air (lebih polar, dan pelarut peng-ion yang lebih baik).

     Kekuatan nukleofil juga dapat mengubah mekanisme reaksi yang dilalui oleh reaksi oleh reaksi SN. Jika nukleofilnya kuat maka mekanisme SN2 yang terjadi. Berikut ini ada beberapa petunjuk yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu nukleofil adalah kuat atau lemah.

1. Ion nukleofil bersifat nukleofil. Anion adalah pemberi elektron yang lebih baik daripada molekul netralnya. Jadi

2. Unsur yang berada pada periode bawah dalam tabel periodik cenderung merupakan nukleofil yang lebih kuat daripada unsur yang berada dalam periode di atasnya yang segolongan. Jadi

3. Pada periode yang sama, unsur yang lebih elektronegatif cenderung merupakan nukleofil lebih lemah (karena ia lebih kuat memegang elektron). Jadi

Karena C dan N berada dalam periode yang sama, tidak mengherankan jika pada ion -:CºN: , yang bereaksi adalah karbon, karena sifat nukleofilnya lebih kuat ( Firdaus;10 ).

E. Faktor Yang Mempengaruhi Jalannya Reaksi Substitusi Dari Alkil Halida

     Adapun factor yang dapat mempengaruhi reaksi substitusi diantaranya yaitu :

1. struktur alkil halida

2. sifat nukleofil atau basa

3. sifat pelarut

4. konsentrasi nukleofil atau basa

5. temperature ( Pudjaatmaka,1982;192 ).

PERMASALAHAN

Disini saya memiliki 3 permasalahan ;

1. Di atas saya menuliskan pada prinsipnya reaksi substitusi nukleofil ini bersifat reversible ( dapat balik ), mengapa dikatakan demikian ? berikan pendapat anda !.

2. Dikatakan bahwa suatu nukleofil (Z:) menyerang alkil halida pada atom karbon hibrida sp3 yang mengikat halogen (X), menyebabkan terusirnya halogen oleh nukleofil. Halogen yang terusir disebut gugus pergi. Gugus pergi yang baik seperti apa yang dibutuhkan dalam reaksi tersebut ? berikan contoh jika ada.

3. Jelaskan mengapa dalam reaksi nukleofil struktur alkil halide, sifat nukleofil atau basa, sifat pelarut, konsentrasi nukleofil atau basa dan temperature dapat mempengaruhi cepat atau lambatnya reaksi SN ?

 Sumber Materi :

1. https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=6&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi0nfP5rvPYAhVIOrwKHUh0BzcQFghSMAU&url=http%3A%2F%2Frepository.unhas.ac.id%2Fbitstream%2Fhandle%2F123456789%2F1711%2FAlkil_halida.pdf&usg=AOvVaw1EHQZfe2XQZDzYPI-QwMSV  ( Diakses 23 januari 2018 )

2. Riswiyanto,S. 2010. Kimia Organik. Jakarta : Erlangga.

3. Pudjaatmaka,A.,H. 1982. Organic Chemistry, Third Edition Terjemah. Jakarta : Erlangga.

4. Craine,Hart,at.al. 2003. Kimia Organik Terjemah Edisi Kesembilan. Jakarta : Erlangga.