Substitusi Nukleofilik dan Eliminasi. Based on McMurry s Organic Chemistry, 7 th edition

Transkripsi

1 Substitusi Nukleofilik dan Eliminasi Based on McMurry s Organic Chemistry, 7 th edition

2 Alkil halida bereaksi dengan nukleofil dan basa Alkil halida terpolariasi pada ikatan karbon halida menjadikan karbon elektrofilik Nukleofil akan menggantikan posisi halida pada ikatan C-X dari berbagai alkil halida( reaksi sebagai basa Lewis) Nukleofil yang basa Brønsted menghasilkan eliminasi 2

3 Materi bagian ini Substitusi nukleofilik, eliminasi yang disebabkan basa adalah reaksi yang banyak terjadi pada berbagai reaksi senyawa organik Reaksi akan diuji untuk mengetahui : - Bagaimana terjadinya reaksi - Apa karakteristik reaksi - Bagaimana dapat digunakan 3

4 Penemuan Reaksi Substitusi Nukleofilik Tahun 1896, Walden melihat bahwa asam (-)-malat dapat dirubah menjadi asam (+)-malat melalui tahapan reaksi kimia dengan pereaksi a-kiral Penemuan ini yang mengaitkan hubungan langsung putaran optik dengan kekiralan dan perubahannya melalui alterasi kimia Reaksi asam (-)-malat dengan PCl 5 menghasilkan asam (+)-klorosuksinat Reaksi lebih lanjut dengan perak oksida dalam air menghasilkan asam (+)-malat Tahapan reaksi diawali dengan asam (+) malat menghasilkan asam (-)-malat 4

5 Reaksi inversi Walden 5

6 Signifikansi inversi Walden Reaksi alterasi terjadi pada pusat kiral Reaksi melibatkan substitusi pada pusat kiral Jadi, substitusi nukleofilik dapat menginversi konfigurasi pada pusat kiral Adanya gugus karboksil pada asam malat menimbulkan perdebatan mengenai sifat reaksi siklus Walden 6

7 Reaksi S N 2 Reaksi yang melibatkan inversi pada pusat reaksi Mengikuti kinetika reaksi orde kedua Tatanama Ingold menerangkan tahapan reaksi: S=substitusi N (subscript) = nukleofilik 2 = keduanya nukleofil dan substrat berada dalam tahapan yang karakteristik (bimolekular) 7

8 Kinetika Substitusi Nukleofilik Kecepatan (V) berubah menurut konsentrasi terhadap waktu Tergantung pada konsentrasi, suhu, sifat reaksi (penghalang pada energi permukaan) Hukum kecepatan menerangkan hubungan antara konsentrasi reaktan dan konversi terhadap produk Konstanta kecepatan (k) adalah faktor proporsionalitas antara konsentrasi dan kecepatan Example: for S converting to P V = d[s]/dt = k [S] 8

9 Kinetika Reaksi Kajian kinetika reaksi disebut kinetika Kecepatan berkurang dengan menurunnya konsentrasi tetapi konstanta kecepatan tidak Satuan kecepatan: [konsentrasi]/waktu sebagai L/ (mol x s) Hukum kecepatan adalah mekanisme reaksi Orde raksi adalah jumlah eksponen konsentrasi dalam hukum kecepatan misalnya orde kedua 9

10 Proses S N 2 Reaksi melibatkan keadaan transisi dimana kedua reaktan berada bersama-sama 10

11 Keadaan Transisi S N 2 Keadaan transisi reaksi S N 2 memiliki susunan atom karbon planar dari sisa tiga gugus 11

12 Sensitif terhadap efek sterik Metil halida paling reaktif Selanjutnya alkil halida primer adalah yang paling reaktif Alkil halida sekunder masih dapat bereaksi Yang tersier tidak reaktif Tidak terjadi reaksi pada C=C (vinyl halida) 12

13 Pengaruh reaktan dan tingkat energi keadaan transisi terhadap kecepatan reaksi Makin tinggi tingkat energi reaktan (kurva merah) = reaksi makin cepat (ΔG lebih kecil). Makin tinggi tingkat energi keadaan transisi (kurva merah) = reaksi makin lambat (ΔG lebih besar) 13

14 Efek Sterik reaksi S N 2 Atom karbon pada (a) bromometana siap diakses untuk menghasilkan reaksi S N 2 yang cepat. Atom karbon pada (b) bromoetana (primer), (c) 2-bromopropana (sekunder), dan (d) 2-bromo-2-metilpropana (tersier) adalah lebih sesak, sehingga reaksi S N 2 lebih lambat. 14

15 Orde Reaksi pada S N 2 Semakin banyak gugus alkil yang terikat pada karbon pusat reaksi, reaksi lebih lambat 15

16 Nukleofil Basa Lewis netral atau bermuatan negatif Koordinasi reaksi meningkat pada nukleofil Nukleofil netral mengakuisisi muatan positif Nukleofil anionik menjadi netral 16

17 Kereaktifan relatif Nukleofil Tergantung pada reaksi dan kondisi Makin basa nukleofil semakin cepat reaksi Nukleofil semakin baik kalai semakin ke bawah pada golongan dalam sistem berkala Anion biasanya lebih reaktif dari nukleofil netral 17

18 Gugus lepas Gugus lepas yang baik mengurangi halangan reaksi Anion stabil adalah basa lemah yang biasanya gugus lepas yang sangat baik dan dapat mendelokalisasi muatan 18

19 Gugus Lepas Jelek Jika suatu gugus sangat basa atau sangat kecil, ia akan menghalangi reaksi Alkil fluorida, alkohol, eter dan amina tidak cendrung mengalami reaksi S N 2. 19

20 Pelarut Pelarut yang dapat mendonasikan ikatan hidrogen (- OH atau NH) memperlambat reaksi S N 2 melalui asosiasi dengan reaktan Energi dibutuhkan untuk memecah interaksi antara reaktan dan pelarut Pelarut polar aprotik (bukan NH, OH, SH) membentuk interaksi lebih lemah dengan substrat dan mengizinkan reaksi lebih cepat 20

21 Reaksi S N 1 Alkil halida tersier bereaksi cepat dalam pelarut protik melalui mekanisme yang melibatkan pembebasan gugus lepas sebelum terjadi addisi nukleofil Disebut reaksi S N 1 terjadi dalam dua tahap sedangkan S N 2 terjadi dua tahapan dalam waktu yang sama Jika nukleofil ada dalam konsentrasi yang wajar (atau itu adalah pelarut), maka ionisasi adalah langkah paling lambat 21

22 Diagram Energi S N 1 V = k[rx] Tahap penentu kecepatan adalah pembentukan karbokation 22

23 Tahap pembatasan-laju reaksi Laju reaksi keseluruhan dikendalikan oleh laju langkah paling lambat Laju reaksi tergantung pada konsentrasi spesies dan konstanta laju pada setiap langkah Energi keadaan transisi tertinggi pada diagram adalah yang langkah penentu laju (yang tidak selalu berpenghalang tertinggi) 23

24 Stereokimia reaksi S N 1 Intermediet yang planar menghilangkan kekiralan Karbokation bebas adalah akiral Produk reaksi adalah rasemat atau beberapa ada yang mengalami inversi 24

25 Realitas S N 1 Karbokation bias bereaksi pada sisi yang berlawanan dengan sisi gugus lepas Reaksi yang terjadi disarankan dengan karbokation yang berjarak dengan gugus pergi selama terjadi adisi nukleofilik Alternatif bahwa terjadi S N 2 tidak mungkin 25

26 Efek pembentukan pasangan ion Jika gugus lepas tetap berasosiasi, maka produk cendrung inversi dari retensi Produk hanya rasemat parsial dengan cendrung inversi dari retensi Assosiasi karbokation dan gugus lepas adalah pasangan ion 26

27 Karakteristik Reaksi S N 1 Substrat Alkil halida tersier adalah yang paling reaktif pada mekanisme ini Reaksi dikontrol oleh kestabilan karbokation Menurut postulat Hammond, Setiap faktor yang menstabilkan intermediet berenergi tinggi akan menstabilkan keadaan transisi mengarah ke intermediet 27

28 Allylik dan Halida Benzylik Intermediet Allylik dan benzylik ditsabilkan oleh delokalisasi muatan Allylik dan benzylik primer lebih reaktif pada mekanisme S N 2 28

29 Efek gugus lepas pada S N 1 Secara kritik tergantung pada gugus lepas Kereaktifan: ion halida yang lebih besar merupakan gugus lepas yang lebih baik Dalam asam, OH alkohol diprotonasi dan gugus lepas adalah H 2 O, yang masih kurang reaktif dibandingkan halida p-toluensulfonat (TosO - ) adalah gugus lepas yang baik 29

30 Nukleofil pada S N 1 Bila adisi nuleofilik terjadi setelah pembentukan karbokation, laju reaksi biasanya tidak dipengaruhi oleh konsentrasi nukleofil 30

31 Pelarut pada S N 1 Menstabilkan karbokation juga menstabilkan keadaan transisi dan kontrol jalu reaksi Efek pelarut pada reaksi S N 1 sebagian besar untuk menstabilkan atau mendestabilkan keadaan transisi 31

32 Pelarut polar memudahkan Ionisasi Pelarut polar, protik dan basa Lewis tidak reaktif memudahkan terbentuknya R + Kepolaran pelarut diukur sebagai polarisasi dielectrik (P) Pelarut nonpolar mempunyai P rendah Pelarut polar mempunyai P tinggi 32

33 Reaksi Substitusi Biologikal Reaksi S N 1 dan S N 2 terjadi juga pada kimia biologikal Tidak seperti yang di laboatorium, substrat pada substitusi biologikal sering berupa organodifosfat dari pada alkil halida 33

34 Reaksi Eliminasi Alkil Halida: Aturan Zaitsev Eliminasi adalah jalur alternatif ke substitusi Berlawanan dengan reaksi adisi Menghasilkan alkena Dapat berkompetisi dengan substitusi dan menurunkan jumlah produk, khususnya untuk S N 1 34

35 Aturan Zaitsev untuk reaksi Eliminasi Pada eliminasi HX dari alkil halida, produk alkena yang lebih tersubstitusi adalah produk yang dominan 35

36 Mekanisme reaksi Eliminasi Tatanama Ingold: E eliminasi E1: pertama X - lepas membentuk karbokation suatu basa abstrak proton dari karbokation E2: Transfer terpadi proton ke suatu basa dan perginya gugus lepas 36

37 Reaksi E2 dan efek isotop Deuterium Proton ditransfer ke basa sebagai gugus lepas awal Keadaan transisi terjadina lepasnya X dan transfer H Alkana yang dihasilkan stereospesifik 37

38 Geometri Eliminasi E2 Antiperiplanar memungkinkan orbital bertumpangtindih dan meminimalkan interaksi efek sterik 38

39 Stereokimia E2 Tumpang tindih orbital π pada keadaan transisi membutuhkan geometri periplanar, anti penataan 39

40 Prediksi Produk E2 adalah stereospesifik Meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletana dengan basa menghasilkan cis 1,2-difenil RR atau SS 1,2-dibromo-1,2-difeniletana menghasilkan trans 1,2-difenil 40

41 Reaksi E2 dan pembentukan sikloheksana Proton diambil dan gugus lepas harus menyesuaikan trans-diaksial menjadi anti periplanar (app) mendekati keadaan transisi Gugus equatorial tidak benar-benar sejajar 41

42 Reaksi E1 dan E1cB Berkompetisi dengan S N 1 dan E2 pada pusat 3 V = k [RX], sama denga S N 1 42

43 Perbandingan E1 dan E2 Basa kuat dibutuhkan untuk E2 tapi tidak untuk E1 E2 stereospesifik, E1 tidak E1 menghasilkan orientasi Zaitsev 43

44 Reaksi E1cB Berlangsung melalui intermediet karbanion 44

45 Reaksi Eliminasi Biologikal Ketiga reaksi eliminasi terjadi dalam makhluk hidup E1cB sangat umum Contoh spesifik terjadi pada biosintesis lemak bila 3-hidroksi butiril thioester di dehidrasi menghasilkan thioester nya 45

46 Ringkasan Kereaktifan: S N 1, S N 1, E1,E1cB, E2 Alkil halida mengalami berbagai reaksi berbeda yang berkompetisi, tergantig pada reaksi molekul dan kondisi Berdasarkan polanya, dapat diprediksi produknya 46

47 bon courage... et a la prochaine cours... 47