Bab 10 & 11 Alkil Halida: Substitusi Nukleofilik & Eliminasi

Transkripsi

1 Slaid kuliah Kimia Organik I untuk mhs S1 Kimia semester 3 Bab 10 & 11 Alkil Halida: Substitusi Nukleofilik & Eliminasi Budi Arifin (dibantu oleh Dumas Flis Tang) Bagian Kimia Organik Departemen Kimia FMIPA-IPB TIU TIK 1

2 Daftar Pustaka: McMurry J Organic Chemistry. Ed. ke-7. Belmont: Brooks/Cole. Bab 10, 11. Solomons TWG, Fryhle CB Organic Chemistry. Ed. ke-10. New York: J Wiley. Bab 6. Solomons TWG, Fryhle CB Organic Chemistry. Ed. ke-8. New York: J Wiley. Bab 6. Organohalida mengandung 1 atau lebih atom halogen. C C X, C=C X, Ar X, atau R X Tersebar luas di alam, terutama di organisme laut. Digunakan dalam aneka aplikasi di industri. trikloroetilena (pelarut) halotana (anestesi hirup) diklorofluorometana (zat pendingin) bromometana (fumigan) epibatidina (dari kodok Ekuador Epipedobates tricolor, penghilang nyeri 200x lebih kuat dari morfina) 2

3 10.1 TATA NAMA DAN STRUKTUR (1) Nama IUPAC: haloalkana Nama umum: alkil halida iodometana (metil iodida) 2-kloropropana (isopropil klorida) (2) Tata nama = hidrokarbon (nama substituen: halo) 5-bromo-2,4-dimetilheptana 2-bromo-4,5-dimetilheptana 1-bromo-3-kloro-4-metilpentana 2-bromo-5-metilheksana (BUKAN 5-bromo-2-metilheksana) peningkatan jejari halogen 3

4 10.2 PENYIAPAN ALKIL HALIDA (1) Halogenasi Alkana Tahap INISIASI Tahap PROPAGASI (pengulangan siklus) Tahap TERMINASI Reaksi Keseluruhan Kelemahan: Hampir selalu dihasilkan campuran produk 1-klorobutana 2-klorobutana Reaktivitas H-2 o = 70% 4 3, 5 30% 6 30 : 70 Reaktivitas H-1 o Produk poliklorinasi 4

5 2-kloro-2-metilpropana 1-kloro-2-metilpropana 35 : 65 Produk poliklorinasi Reaktivitas H-3 o = 35% 1 65% 9 5 Reaktivitas H-1 o Reaktivitas Energi ikatan C H (kj mol -1 ) Primer 1.0 Sekunder < < 3.5 Tersier Reaksi brominasi umumnya lebih selektif ketimbang klorinasi, karena tahap abstraksi hidrogen oleh radikal bromin lebih endotermik. metilpropana 2-bromo-2- metilpropana (>99%) 1-bromo-2- metilpropana (<1%) 5

6 (2) Brominasi Alilik posisi alilik sikloheksena 3-bromo sikloheksena (85%) Alilik 360 kj mol -1 Alkil 400 kj mol -1 Vinilik 445 kj mol -1 Reaksi juga berlangsung melalui jalur reaksi rantai radikal: radikal alilik 6

7 Urutan stabilitas radikal: Vinilik < Metil < Primer < Sekunder < Tersier < Alilik Atom karbon radikal dapat memiliki hibridisasi-sp 2 dengan elektron tak-berpasangan menempati orbital p. Struktur ini memungkinkan kedua karbon ujung berbagi elektron takberpasangan ini secara sama: Resonans radikal alilik menyebabkan brominasi alilik suatu alkena taksimetrik akan menghasilkan campuran produk: 1-oktena 3-bromo-1-oktena (17%) 1-bromo-2-oktena (83%) (53:47 = trans:cis) (Reaksi pada ujung primer yang kurang terhalangi lebih disukai.) 7

8 Produk brominasi alilik mudah diubah menjadi diena dengan dehidrohalogenasi menggunakan basa. sikloheksena 3-bromosikloheksena 1,3-sikloheksadiena Latihan: Tuliskan semua kemungkinan produk reaksi 4,4-dimetilsiklo heksena dengan NBS. (3) Substitusi Alkohol Reaksi alkohol 3 o dengan HX (X = Cl, Br, I): 1-metilsikloheksanol 1-kloro-1-metilsikloheksana (90%) Alkohol 1 o dan 2 o bereaksi jauh lebih lambat dan pada suhu lebih tinggi. Pengubahan kedua alkohol ini menjadi alkil halida paling baik dilakukan dengan tionil klorida (SOCl 2 ) atau fosforus trihalida (PX 3 ; X = Cl, Br). 8

9 benzoin (86%) 2-butanol 2-bromobutana (86%) Keunggulan: - Kondisi reaksi lebih lembut (kurang asam) penataan-ulang lebih jarang - Rendemen biasanya tinggi. - Gugus fungsi lain (eter, karbonil, aromatik) tidak ikut bereaksi. Mekanisme ketiga reaksi ini akan dipelajari di Bab REAKSI ALKIL HALIDA: PEREAKSI GRIGNARD alkilmagnesium halida (pereaksi Grignard) iodometana metilmagnesium iodida Polarisasi ikatan C Mg atom karbon bermuatan negatif parsial (nukleofilik). 9

10 Hidrokarbon adalah asam sangat lemah (pk a 44 60) kebasaan anion karbon sangat kuat Pereaksi Grignard dapat mendeprotonasi asam lemah seperti H 2 O, ROH, RCO 2 H, dan RNH 2 menghasilkan alkana. Dengan cara ini, halida organik direduksi menjadi alkana. 1-bromoheksana 1-heksilmagnesium bromida heksana (85%) Tingkat oksidasi rendah Tingkat oksidasi tinggi 10.4 REAKSI KOPLING ORGANOLOGAM Pereaksi Grignard tergolong organologam karena memiliki ikatan karbon-logam. (1) Alkillitium, RLi nukleofili & basa kuat (analog pereaksi Grignard) 1-bromobutana butillitium (2) Litium dialkilkuprat, R 2 CuLi (pereaksi Gilman) metillitium litium dimetilkuprat 10

11 Pereaksi Gilman lazim direaksikan dengan halida organik membentuk alkana (reaksi kopling organologam). litium dimetilkuprat 1-iododekana undekana (90%) trans-1-iodo- 1-nonena litium dibutilkuprat trans-5-tridekena (71%) iodobenzena toluena (91%) (3) Organotimah kopling aril atau vinil berkataliskan-paladium. para-bromoasetofenon para-vinilasetofenon Soal Latihan Problem 10.1 s.d

12 Soal-soal Latihan Problem REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK Ikatan C X polar, karbon menjadi elektrofili dalam reaksi polar Dengan nukleofili/basa, alkil halida dapat mengalami 2 reaksi Substitusi Eliminasi 12

13 Paul Walden (1896): interkonversi asam (+)- dan ( )-malat ( )-asam malat [α] D = -2.3 (+)-asam klorosuksinat ( )-asam klorosuksinat (+)-asam malat [α] D = +2.3 Reaksi dalam siklus tersebut tentunya ada yang melibatkan pembalikan (inversi) konfigurasi pusat kiralitas. (+)-1-fenil-2-propanol [α] D = [α] D = [α] D = +7.0 [α] D = [α] D = ( )-1-fenil-2-propanol [α] D =

14 Dari 3 tahapan reaksi: (1) pembentukan alkil tosilat, (2) substitusi ion tosilat oleh ion asetat, dan (3) hidrolisis-basa gugus asetat, hanya tahap (2) yang memutus ikatan C O pada pusat kiralitas inversi terjadi pada tahap (2). p-toluenasulfonat (tosilat) Reaksi pada siklus Walden & tahap (2) sekarang dikenal sebagai substitusi nukleofilik REAKSI S N 2 Dari studi reaksi-reaksi sejenis, reaksi substitusi nukleofilik (S N ) pada alkil halida (atau tosilat) 1 o dan 2 o selalu disertai inversi konfigurasi. Studi kinetika menunjukkan, melipatduakan [alkil halida] atau [nukleofili] akan melipatduakan laju reaksi: RX Nu v k : REAKSI ORDE-KEDUA ED Hughes & C Ingold (1937): mekanisme S N 2 (substitusi nukleofilik bimolekular) menjelaskan kedua hasil pengamatan di atas. 14

15 (S)-2-bromobutana (tetrahedral, sp 3 ) keadaan peralihan (segitiga datar, sp 2 ) (R)-2-butanol (tetrahedral, sp 3 ) (1) Reaksi 1-tahap (serentak). (2) Nukleofili bereaksi dengan substrat dari arah berlawanan dengan gugus pergi. (3) Seiring nukleofili mulai terikat, gugus pergi mulai terlepas, dan berlangsung inversi konfigurasi. Faktor-faktor yang Memengaruhi Reaksi S N 2 (1) Substrat: Efek Sterik Substrat meruah yang atom karbon- -nya terhalangi untuk diserang dari belakang oleh nukleofili akan lebih lambat bereaksi S N 2. 15

16 Reaksi S N 2 biasanya hanya terjadi pada metil halida, halida 1 o, dan beberapa halida 2 o sederhana. t-butil bromida (halida 3 o ) <1 neopentil bromida (halida 1 o ) 1 isopropil bromida (halida 2 o ) 500 etil bromida (halida 1 o ) metil bromida (2) Nukleofili Spesies anionik atau netral yang dapat mendonorkan PEB (basa Lewis). Nukleofili anionik Produk netral Nukleofili netral Produk kationik Ion negatif lebih nukleofilik (pemasok elektron yang lebih baik) daripada molekul netral. HO > HOH RS > RSH RO > ROH 16

17 Semakin elektronegatif suatu atom (semakin ke atas dan semakin ke kanan pada tabel berkala) semakin kuat daya tarik elektronnya, maka kurang nukleofilik. HS > HO I > Br > Cl > F semakin ke atas pada tabel berkala R R C R R > N R > R O > F H 3 N > H 2 O > HF semakin ke kanan pada tabel berkala Laju reaksi S N 2 meningkat dengan bertambahnya kekuatan nukleofili (nukleofilisitas) reaktan. 17

18 (3) Gugus Pergi Gugus pergi yang baik dapat menstabilkan muatan negatif. Urutan reaktivitas gugus pergi berkebalikan dengan urutan kebasaannya. << Alkil fluorida, alkohol, eter, dan amina biasanya tidak mengalami reaksi S N 2. Agar alkohol dapat bereaksi S N 2, OH harus terlebih dulu diubah menjadi gugus pergi yang lebih baik (dibahas di Bab 17). Epoksida (eter siklik beranggota-3), tidak seperti eter alifatik, sangat reaktif terhadap nukleofili (dibahas di Bab 18). (4) Pelarut Pelarut protik (air, alkohol) memiliki atom H terikat pada atom elektronegatif. Dalam pelarut protik, nukleofili akan tersolvasi melalui ikatan hidrogen sehingga menurun nukleofilisitasnya. Ikatan hidrogen semakin lemah seiring bertambahnya ukuran nukleofili. Nukleofili yang lebih besar juga lebih terkutubkan (polarizable). Karena itu, dalam pelarut protik Nukleofilisitas 18

19 Pelarut aprotik polar, di sisi lain, mensolvasi kation dengan sangat baik melalui sumbangan PEB ke orbital kosong dari kation. Anion (nukleofili) tidak ikut disolvasi, karena pelarut aprotik polar tidak dapat membentuk ikatan hidrogen dan pusat positifnya terperisai oleh efek sterik. Karena itu, dalam pelarut aprotik polar, nukleofili akan telanjang dan meningkat nukleofilisitasnya. Laju reaksi S N 2 meningkat dalam pelarut aprotik polar. 19

20 Latihan 1: Klasifikasikan pelarut-pelarut berikut sebagai protik atau aprotik: - asam format, HCO 2 H - belerang dioksida, SO 2 - aseton, CH 3 COCH 3 - amonia, NH 3 - asetonitril, CH 3 C N - trimetilamina, N(CH 3 ) 3 - formamida, HCONH 2 - etilena glikol, HOCH 2 CH 2 OH. Latihan 2: Apakah reaksi propil bromida dengan natrium sianida CH 3 CH 2 CH 2 Br + NaCN CH 3 CH 2 CH 2 CN + NaBr diperkirakan akan berlangsung lebih cepat dalam DMF atau dalam etanol? Jelaskan jawaban Anda. Latihan 3: Untuk setiap pasangan berikut, manakah yang Anda harapkan menjadi nukleofili lebih kuat dalam pelarut protik: (a) CH 3 CO 2 atau CH 3 O (b) H 2 O atau H 2 S (c) (CH 3 ) 3 P atau (CH 3 ) 3 N Pengaruh (a) Substrat, (b) Nukleofili, (c) Gugus Pergi, dan (d) Pelarut terhadap Laju Reaksi S N 2 20

21 Contoh Reaksi S N 2 di Alam: Metilasi Biologis norepineprin epineprin (adrenalin) (S)-Adenosilmetionin (SAM) (S)-Adenosilhomosistein (SAH) Problem Problem Soal-soal Latihan 21

22 11.3 REAKSI S N 1 Substrat yang terhalangi (halida 3 o ) ternyata juga mudah menjalani reaksi substitusi nukleofilik dengan air (nukleofili netral, pelarut protik). Laju reaksi S N 1 (CH 3 ) 3 CCl dengan H 2 O didapati bergantung hanya pada konsentrasi alkil halida: v k RX REAKSI ORDE-PERTAMA Reaksi berlangsung dengan mekanisme S N 1 (substitusi nukleofilik unimolekular): Reaksinya bertahap: (1) Gugus pergi lepas sebelum air mendekat. Karbokation tert-butil terbentuk sebagai zat antara. (2) Air lalu dengan cepat menyerang karbokation menghasilkan produk. 22

23 Tahap lambat menjadi leher-botol yang menentukan laju reaksi. atau Karbokation, karena planar, dapat diserang sama baiknya dari 2 sisi yang berlawanan campuran rasemik: 50% inversi konfigurasi zat antara karbokation planar, akiral 50% retensi konfigurasi Faktanya, inversi umumnya sedikit lebih banyak: (R)-6-kloro- 2,6-dimetiloktana 60% S (inversi) 40% R (retensi) (ekuivalen dengan 80% R,S + 20% S) 23

24 Rasemisasi taksempurna dalam sebagian besar reaksi S N 1 dapat dijelaskan dengan mekanisme pasangan-ion (Winstein): Sisi terbuka untuk diserang Sisi terlindung dari serangan Pasangan ion Karbokation bebas Inversi Rasemisasi Anion gugus pergi memerisai karbokation terhadap serangan nukleofili dari sisi tempat anion berada. Faktor-faktor yang Memengaruhi Reaksi S N 1 (1) Substrat: Efek Elektronik Substrat yang terdisosiasi menghasilkan karbokation lebih stabil akan menjalani reaksi S N 1 dengan lebih cepat. (contoh postulat Hammond) Metil <1 Primer 1 Sekunder 12 Tersier

25 Secara khusus, halida alilik dan benzilik mudah menjalani reaksi S N. Reaksi S N 1 disukai karena stabilisasi-resonans dari karbokation yang dihasilkan: karbokation alilik karbokation benzilik Urutan stabilitas karbokation (sekaligus urutan reaktivitas S N 1): metil primer alilik benzilik tersier sekunder < < = = < Substrat alilik dan benzilik 1 o juga lebih reaktif dalam reaksi S N 2 daripada substrat 1 o biasa, karena ikatan C X alilik dan benzilik lebih lemah. 338 kj mol kj mol kj mol -1 Namun, reaksi S N 1 lebih mendominasi pada kedua substrat tersebut. 25

26 Sebaliknya, vinil dan aril halida sulit menjalani reaksi S N. Hibridisasi-sp 2 pada C- dan resonans PEB atom halogen memperpendek ikatan C X sehingga sulit diputus: Serangan nukleofili dari-belakang untuk reaksi S N 2 juga terhalangi oleh bidang ikatan rangkap karbon-karbon: vinil halida aril halida Karbokation fenil (hibridisasi-sp) juga sangat tidak stabil dan pembentukannya dalam reaksi S N 1 tidak disukai. 26

27 (2) Gugus Pergi Urutan reaktivitas sama seperti reaksi S N 2, karena pemutusan gugus pergi merupakan tahap penentu-laju. (3) Nukleofili Sifat nukleofili tidak berpengaruh pada reaksi S N 1 karena nukleofili tidak terlibat dalam tahap penentu-laju. 2-metil-2-propanol Laju sama untuk X= Cl, Br, I (4) Pelarut Reaksi pembentukan karbokation (penentu-laju) endotermik struktur dan stabilitas KP menyerupai karbokation. Kemampuan mensolvasi kation membuat pelarut protik polar akan menstabilkan KP dan menurunkan G. Laju reaksi S N 1 meningkat dalam pelarut protik polar. 27

28 Etanol 40% Air/ 60% Etanol 80% Air/ 20% Etanol Air Kemampuan pelarut mengisolasi muatan yang berlawanan atau kation yang telah terpisah dari anion disebut tetapan dielektrik ( ). tinggi pelarut polar tolakan maupun tarikan elektrostatik melemah Urutan kepolaran: Air 80 HCO 2 H 59 DMSO 49 DMF 37 MeCN 36 MeOH 33 HMPA 30 EtOH 24 aseton 21 AcOH 6 Air ( = 80) adalah pelarut yang paling efektif untuk mendorong ionisasi, namun kebanyakan senyawa organik sukar larut dalam air. Alkohol atau campuran pelarut seperti metanol-air dan etanol-air lazim digunakan dalam reaksi SN1. 28

29 Dalam reaksi SN1, biasanya pelarut sekaligus berperan sebagai nukleofili. Reaksi semacam ini disebut solvolisis. Jika pelarutnya air, disebut hidrolisis; jika pelarutnya metanol, misalnya, disebut metanolisis. Contoh reaksi solvolisis: Latihan 4: Ketika tert-butil klorida mengalami solvolisis dalam campuran metanol dan air, laju solvolisis (yang diukur sebagai laju terbentuknya ion bromida dalam campuran) meningkat ketika persentase air dalam campuran diperbesar. (a) Jelaskan hal ini. (b) Berikan penjelasan untuk pengamatan bahwa laju reaksi SN2 etil klorida dengan kalium iodida dalam metanol dan air justru menurun ketika persentase air dalam campuran diperbesar. Latihan 5: Produk(-produk) apa saja yang Anda ramalkan dari metanolisis turunan sikloheksana berikut: 29

30 Contoh Reaksi S N 1 di Alam: Biosintesis Geraniol isopentenil difosfat dimetilalil difosfat karbokation dimetilalil geranil difosfat karbokation karbokation geranil geraniol Perbandingan Reaksi S N 2 dan S N 1 No Peubah Reaksi S N 2 Reaksi S N 1 1 Substrat Metil, 1 o, beberapa 2 o ( halangan ruang kecil) 3 o, alilik, benzilik, beberapa 2 o ( karbokation stabil) 2 Nukleofili Kuat (basa) Lemah (netral) 3 Tahapan mekanisme 4 Zat antara 1 tahap (serentak) Tidak ada (hanya keadaan peralihan) 2 tahap (tahap 1 penentu-laju) Karbokation 5 Orde reaksi Ke-2: v = k [RX][Nu: ] Ke-1: v = k [RX] 6 Molekularitas Bimolekular Unimolekular 7 Stereokimia Inversi konfigurasi Walden 8 Pelarut Disukai pada pelarut aprotik polar Rasemisasi (karbokation) Inversi > Retensi (psgn. ion) Disukai pada pelarut polar, terutama yang protik 30

31 Soal Latihan Problem 11.8 Problem 11.9 Problem Soal Latihan Problem Soal Latihan Problem Problem LATIHAN CONTOH 11.2 Soal Latihan Problem LATIHAN CONTOH

32 11.4 REAKSI ELIMINASI: ATURAN ZAITSEV Selain menyubstitusi halida, nukleofili dapat berperan sebagai basa Lewis dan mengeliminasi HX dengan reaksi pada hidrogen tetangga. Hanya ada 1 produk alkena dihasilkan pada setiap reaksi berikut: Namun, reaksi eliminasi umumnya menghasilkan campuran produk: 2 H H H H C C CH 2 CH 3 H 3 C C C CH 3 2 R 2 R CH 3 gugus R lebih sedikit (kurang tersubstitusi) gugus R lebih banyak (lebih tersubstitusi) 1 R, 1 H CH 3 32

33 Ada 2 aturan untuk meramalkan produk utama: (1a) Aturan Zaitsev (= Zaitzev, Saytzeff, Saytseff, Saytzev; 1875) Dengan basa berukuran kecil seperti ion etoksida atau hidroksida, produk utama ialah alkena yang lebih tersubstitusi, karena lebih stabil (Bab 6). (1b) Aturan Hoffmann Dengan basa meruah seperti ion tert-butoksida, faktor sterik menyebabkan alkena yang kurang tersubstitusi lebih dominan. Nukleofilisitas biasanya sejalan dengan kebasaan, misalnya OH > CH 3 CO 2 > H 2 O Nukleofilisitas: afinitas terhadap atom karbon dalam reaksi S N 2 (bergantung pada substrat, pelarut, dan bahkan konsentrasi reaktan) Kebasaan: afinitas terhadap proton 33

34 11.5 REAKSI E2: Eliminasi Bimolekular Mekanisme E2 berlangsung 1 tahap tanpa zat antara, analog dengan reaksi S N 2. Dengan basa kuat (HO, RO ), ikatan C H dan C X putus bersamaan disertai pembentukan ikatan C=C. keadaan transisi Mekanisme ini paling sering dijumpai pada eliminasi alkil halida. Bukti-bukti mekanistik: (1) Studi kinetika menunjukkan bahwa basa dan alkil halida ambil bagian dalam tahap penentu-laju. v k RX B: REAKSI ORDE-KEDUA (2) Teramati efek isotop deuterium: Eliminasi HBr berlangsung ~ 7x lebih cepat daripada eliminasi DBr ikatan C H (C D) diputus pada tahap penentu-laju. Catatan: Ikatan C H ~ 5 kj mol -1 lebih lemah daripada C D. 1-Bromo-2-feniletana bereaksi 7,11 kali lebih cepat daripada 1- bromo-2,2-dideuterio-2-feniletana (3) Bukti stereokimia: Reaksi E2 berlangsung dengan geometri periplanar (atau koplanar), artinya 4 atom yang bereaksi H -C -C -X sebidang. Geometri sebidang ini paling memudahkan tumpang-tindih orbital-orbital sp 3 dalam ikatan C H dan C X reaktan menjadi orbital-orbital p dalam produk alkena. 34

35 Ada 2 kemungkinan geometri periplanar: geometri anti periplanar (H dan X silang, energi rendah) analog serangan dari-belakang pada reaksi S N 2 (gugus datang & pergi 180 o ) geometri sin periplanar (H dan X tindih, energi tinggi) anti periplanar keadaan peralihan alkena Konfigurasi stereokimia dari produk alkena ditentukan oleh geometri anti periplanar ini: Reaksi E2 stereospesifik. meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletana (geometri anti periplanar) (E)-1-bromo-1,2-difeniletilena (tidak terbentuk isomer Z) 35

36 Pada konformasi kursi, TS anti koplanar hanya terjadi jika H dan L berposisi trans-diaksial: Contoh menarik ditemui dalam reaksi E2 pada 2 isomer berikut: Pada konformasi lebih stabil dari neomentil klorida, 2 gugus alkil ekuatorial dan atom klorin aksial. Akan terdapat 2 atom H aksial. Keduanya dapat diserang oleh basa secara anti periplanar. 1-Mentena yang lebih tersubstitusi menjadi produk utama (aturan Zaitsev). 36

37 Di sisi lain, konformasi lebih stabil dari mentil klorida memiliki 3 gugus di posisi ekuatorial. Agar klorin aksial, gugus isopropil yang besar dan juga metil harus aksial. (a) Konformasi ini tidak stabil reaksi E2 berjalan 200x lebih lambat daripada neomentil klorida. (b) 1-Mentena tidak terbentuk, karena H yang berhubungan ekuatorial 2-mentena (produk Hoffmann) menjadi satu-satunya produk REAKSI E1: Eliminasi Unimolekular Mekanisme E1 diawali disosiasi unimolekular ikatan C X seperti pada reaksi S N 1, tetapi tahap selanjutnya ialah penyingkiran H + dari karbon tetangga oleh basa. lambat cepat karbokation Karena melalui zat antara yang sama, yaitu karbokation, reaksi E1 biasanya disertai reaksi S N 1. Campuran produk hampir selalu diperoleh dengan produk S N 1 mendominasi E1 untuk alkil halida. 2-kloro-2-metilpropana 2-metil-2-propanol (64%) metilpropena (36%) 37

38 Bukti-bukti mekanistik: (1) Kinetika reaksi orde-pertama, tanpa efek isotop deuterium. Mengapa? (2) Pada kondisi E1 dalam pelarut polar, mentil klorida menghasilkan campuran alkena dengan produk Zaitsev, 3-mentena, dominan. mentil klorida 2-mentena (100%) 2-mentena (32%) 3-mentena (68%) 11.7 REAKSI E1cB Karbanion 38

39 LATIHAN CONTOH 11.3 Soal Latihan Problem Problem LATIHAN CONTOH 11.4 Soal Latihan Problem Problem Soal Latihan Problem Anion yang terstabilkan resonansi 39

40 Krotonil tioester 3-hidroksibutiril tioester C. SUBSTITUSI VERSUS ELIMINASI Semua nukleofili berpotensi sebagai basa dan semua basa berpotensi sebagai nukleofili, sebab bagian reaktif dari keduanya sama-sama pasangan elektron bebas. Karena itu, tidak mengherankan jika reaksi substitusi nukleofilik dan eliminasi sering bersaing satu sama lain. C. 1. SN2 versus E2 Reaksi SN2 dan E2 keduanya disukai oleh nukleofili atau basa kuat dengan konsentrasi tinggi. Jika nukleofili (basa) menyerang atom hidrogen, terjadi eliminasi. Jika yang diserang atom karbon-, terjadi substitusi: 40

41 Dengan nukleofili atau basa kuat yang kecil (tak terhalangi) seperti ion etoksida Jika substratnya halida primer, SN2 sangat disukai karena karbon- mudah didekati. Dengan halida sekunder, halangan sterik substrat yang lebih besar membuat SN2 lebih sulit. Basa lebih mudah mengambil atom hidrogen yang letaknya di tepi, maka E2 dominan. Dengan halida tersier, halangan sterik substrat begitu besarnya sehingga reaksi SN2 tidak dapat terjadi. Eliminasi sangat disukai, terutama jika suhu reaksi tinggi. Mekanisme E2 lebih dominan daripada E1 (yang juga terjadi karena stabilitas karbokation 3o). Substitusi, apabila terjadi, harus berlangsung melalui mekanisme SN1. Mengapa menaikkan suhu meningkatkan proporsi eliminasi (E1 dan E2) terhadap substitusi? Reaksi eliminasi menambah jumlah molekul produk dibandingkan dengan reaktan. Misalnya, 2 molekul reaktan menjadi 3 molekul produk dalam contoh berikut: CH3O + (CH3)3CBr CH2=C(CH3)2 + CH3OH + Br ntara pada reaksi substitusi, jumlah molekul produk akan sama banyak dengan reaktan, mis CH3O + CH3CH2Br CH3CH2OCH3 + Br 41

42 Menurut hukum termodinamika II, reaksi berjalan spontan ke arah ketidakteraturan, yang dinyatakan dengan perubahan entropi positif, So > 0. Bertambahnya molekul pada reaksi eliminasi meningkatkan ketidakteraturan sistem. Karena itu, reaksi ini lebih disukai secara entropi daripada substitusi. Sesuai persamaan energi-bebas Gibbs Go = Ho T So, pengaruh entropi ini semakin besar ketika suhu dinaikkan. Akibatnya eliminasi makin disukai pada suhu tinggi. Cara lain meningkatkan proporsi eliminasi ialah menggunakan basa kuat yang meruah seperti ion tert-butoksida. Halangan ruang yang besar dari gugus-gugus metil menghambat ion tert-butoksida untuk mengakses atom karbon- dari substrat 1o sekalipun. Misalnya, Dengan basa tak-meruah, CH3O dalam CH3OH, produk SN2 mencapai 99%. Hanya 1% produk E2 meskipun suhu reaksi yang digunakan lebih tinggi (65 oc). Faktor lain yang memengaruhi laju relatif SN2 dan E2 ialah kebasaan (dan polarisabilitas) relatif dari basa/nukleofili: Basa kuat (yang sedikit terpolarisasi) seperti ion amida (NH2 ) atau ion alkoksida (khususnya yang terhalangi) cenderung meningkatkan eliminasi (E2). Basa lemah seperti ion klorida (Cl ) atau ion asetat (CH3CO2 ) atau basa lemah (yang sangat terpolarisasi) seperti Br, I, atau RS hampir 100% melalui jalur SN2. Reaksi ion asetat dengan isopropil bromida, misalnya, menghasilkan CH3CO2CH(CH3)2 secara hampir kuantitatif (~100%), sedangkan reaksi ion etoksida dengan senyawa yang sama terutama menghasilkan propena. 42

43 C. 2. Halida Tersier: SN1 versus E1 Reaksi SN1 dan E1 berlangsung melalui zat antara yang sama. Karena itu, respons keduanya serupa terhadap faktor-faktor yang memengaruhi reaktivitas, dan selalu bersaing. Substrat yang dapat membentuk karbokation stabil (halida 3o) menyukai reaksi ini. Demikian pula jika digunakan nukleofili (basa) lemah dan pelarut protik polar. Dalam kebanyakan reaksi unimolekular alkil halida, reaksi SN1 mendominasi E1, khususnya pada suhu rendah. Namun, reaksi substitusi halida 3o tidak banyak digunakan sebagai metode sintetik, karena terlalu mudah mengalami eliminasi. Meningkatkan suhu sedikit memperbesar proporsi E1 dengan menurunkan proporsi SN1 (dengan SN1 tetap dominan). Namun, lebih lazim menambahkan basa kuat dan mendorong berlangsungnya reaksi E2 jika produk eliminasi yang diinginkan. Contoh: Produk(-produk) apa yang Anda harapkan dalam setiap reaksi berikut? Sebutkan mekanisme (SN1, SN2, E1, atau E2) yang membentuk tiap produk dan ramalkan jumlah relatifnya (misalnya, apakah produk itu satu-satunya produk, produk utama, atau produk tambahan). 43

44 Jawaban: Substratnya halida 1o. Basa/nukleofilinya CH3O, basa kuat tak-meruah sekaligus nukleofili yang baik. Reaksi SN2 akan mendominasi dengan produk utama CH3CH2CH2OCH3. Produk tambahan CH3CH=CH2 dihasilkan melalui jalur E2. Perbedaan dari soal (a) ialah basanya kuat dan meruah, maka di sini produk E2 (CH3CH=CH2) akan mendominasi produk SN2 (CH3CH2CH2OCH3). Reaktan, (S)-2-bromobutana, adalah halida 2o dengan gugus pergi terikat pada pusat kiral. Basa/ nukleofilinya HS, nukleofili kuat, tetapi basa lemah (bdk HO ). Reaksi SN2 dengan inversi konfigurasi akan hampir 100%, menghasilkan (R)- 2-butanatiol: Basa/nukleofilinya OH, basa sekaligus nukleofili kuat. Namun, substratnya halida 3o dan reaksi SN2 tidak diharapkan akan terjadi. Produk satu-satunya, CH3CH=C(CH2CH3)2 diperoleh dari reaksi E2. Ini adalah reaksi solvolisis (metanolisis): satu-satunya basa/nukleofili ialah pelarut, CH3OH, yang merupakan basa sekaligus nukleofili lemah. Substratnya 3o, maka reaksi SN1 yang menghasilkan CH3OC(CH2CH3)3 akan mendominasi reaksi E1 yang menghasilkan CH3CH=C(CH2CH3)2. 44

45 Latihan 6: Produk(-produk) apa yang Anda harapkan dalam setiap reaksi berikut? Gambarkan mekanisme (SN1, SN2, E1, atau E2) yang membentuk tiap produk dan ramalkan jumlah relatifnya (misalnya, apakah produk itu satu-satunya produk, produk utama, atau produk tambahan). Latihan 7: Dalam eksperimen persaingan, 2 reaktan dengan konsentrasi yang sama (atau 1 reaktan dengan 2 tapak aktif) bersaing untuk pereaksi tertentu. Ramalkan produk utama yang dihasilkan dari setiap eksperimen persaingan berikut dan gambarkan mekanisme reaksi yang terjadi: 45

46 46

47 47

48 48