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

2 TIU TIK

3 Daftar Pustaka: Hart H, Craine LE, Hart DJ Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat. Achmadi SS, penerjemah; Jakarta: Erlangga. Terjemahan dari: Organic Chemistry: A Short Course. Ed. ke-11. Bab 6. 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.

4 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)

5 10.1 TATA NAMA DAN STRUKTUR Nama IUPAC: haloalkana iodometana (metil iodida) Nama umum: alkil halida 2-kloropropana (isopropil klorida) Tuliskan nama IUPAC untuk senyawa-senyawa di bawah ini: a. c. b.

6 Perbandingan beberapa haloakana 1. Ikatan kovalen antar-atom apakah yang paling kuat? 2. Bagaimanakah hubungan antara panjang dan kekuatan ikatan? Jelaskan.

7 10.2 PENYIAPAN ALKIL HALIDA (1) Halogenasi Alkana Tahap INISIASI Tahap PROPAGASI (pengulangan siklus) Tahap TERMINASI Reaksi Keseluruhan

8 Kelemahan: Hampir selalu dihasilkan campuran produk 1-klorobutana 30 : 70 2-klorobutana Produk poliklorinasi Reaktivitas H-2 o = 70% 4 30% 6 3, 5 Reaktivitas H-1 o

9 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 Ikatan C-H manakah yang paling mudah putus?

10 Latihan Tuliskan semua kemungkinan produk monoklorinasi pada 2,4-dimetilpentana beserta persentasenya. 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%)

11 (2) Brominasi Alilik Tunjukkan manakah yang dimaksud posisi alilik? Manakah posisi vinilik? Energi ikatan: Ikatan C-H manakah yang paling mudah putus? sikloheksena Struktur produk utama?

12 Reaksi berlangsung melalui jalur reaksi rantai radikal: radikal alilik Urutan kenaikan stabilitas radikal: Di manakah posisi kestabilan radikal alilik dalam urutan tersebut?

13 Mengapa radikal alilik stabil? Berdasarkan gambar di samping, apakah hibridisasi dari atom C radikal?

14 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.)

15 Produk brominasi alilik mudah diubah menjadi diena dengan dehidrohalogenasi menggunakan basa. sikloheksena 3-bromosikloheksena 1,3-sikloheksadiena Latihan Tuliskan semua kemungkinan produk reaksi antara 3,3-dimetilsiklopentena dan NBS.

16 (3) Substitusi Alkohol a) Dengan pereaksi HX (X = Cl, Br, I): Contoh: Nama IUPAC? Nama IUPAC?

17 a) Dengan pereaksi tionil klorida (SOCl 2 ) atau fosforus trihalida (PX 3 ; X = Cl, Br) Keunggulan: - Kondisi reaksi lebih lembut (kurang asam) penataan-ulang lebih jarang - Rendemen biasanya tinggi - Gugus fungsi lain (eter, karbonil, aromatik) tidak ikut bereaksi

18 Latihan Tunjukkan bagaimana senyawa-senyawa berikut dibuat (disintesis) dari suatu alkohol: a) 2-bromo-2-metilbutana b) 1-kloropentana c) 2-bromoheksana

19 10.3 REAKSI ALKIL HALIDA: PEREAKSI GRIGNARD Fungsi eter Dry alkilmagnesium halida (pereaksi Grignard) Mengapa eternya harus kering? Pereaksi Grignard tergolong organologam, mengapa? Gugus alkil pada organologam bersifat nukleofili atau elektrofili? Rendemen sintesis pereaksi Grignard biasanya sangat tinggi (85 95%). Tuliskan satu contoh reaksi pembuatan pereaksi Grignard.

20 Mekanisme masih diperdebatkan, diduga reaksi radikal: RX + Mg R + MgX R + MgX RMgX Eksperimen dengan Mg radioaktif memperlihatkan kesetimbangan antara alkilmagnesium halida dan dialkilmagnesium: 2 RMgX R 2 Mg + MgX 2 Pereaksi Grignard dapat mereduksi alkil halida alkana Pereaksi Grignard dapat mendeprotonasi asam lemah seperti H 2 O, ROH, RCO 2 H, dan RNH 2 menghasilkan alkana.

21 Latihan Lengkapi reaksi berikut: a) b)?

22 10.4 ORGANOLOGAM LAINNYA: REAKSI KOPLING Reaktivitas menurun (1) Alkillitium, RLi (Reaktivitas RI > RBr > RCl) nukleofili & basa kuat (analog pereaksi Grignard) 1-bromobutana butillitium

23 (2) Litium dialkilkuprat, R 2 CuLi (pereaksi Gilman) metillitium litium dimetilkuprat Pereaksi Gilman lazim direaksikan dengan halida organik membentuk alkana (reaksi kopling organologam). Latihan Lengkapi reaksi berikut: a)? b)? c) CH 3 CH 2 Br CH 3 CH 2 CH 3

24 11.1 REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK Ikatan C X polar, karbon menjadi elektrofili dalam reaksi polar Dengan nukleofili/basa, alkil halida dapat mengalami 2 reaksi Substitusi Eliminasi

25 Bagaimana reaksi substitusi nukleofili ditemukan?? Paul Walden (1896) interkonversi asam (+)- dan ( )-malat ( )-asam malat [α] D = -2.3 (+)-asam klorosuksinat ( )-asam klorosuksinat (+)-asam malat [α] D = +2.3 Apa maksud tanda ( ) dan (+) serta [α] D pada reaksi di atas? Pada reaksi manakah terjadi pembalikan konfigurasi?

26 Pada reaksi di bawah ini, cermati pada reaksi mana terjadi pembalikan konfigurasi?

27 11.2 REAKSI S N 2 Apakah nama IUPAC (lengkap dengan stereokimia) reaktan dan produk? Manakah yang merupakan nukleofili? Ketika [OH ] dinaikkan 2 kali lipat laju reaksi naik 2x lipat Ketika [alkil halida] dinaikkan 2 kali lipat laju reaksi juga naik 2x lipat Berapakah orde reaksi terhadap OH dan orde reaksi terhadap alkil halida? Berapa orde reaksi totalnya? Bagaimanakah hukum laju reaksinya?

28 v = k[rx][nu: ] mekanisme S N 2 (substitusi nukleofilik bimolekular) (ED Hughes & C Ingold pada tahun 1937) (tetrahedral, sp 3 ) keadaan peralihan (segitiga datar, sp 2 ) (tetrahedral, sp 3 ) Serangan nukleofili (OH ) dan pelepasan gugus pergi (Br) berlangsung serentak pada sisi yang berlawanan

29 LG (leaving group) = gugus pergi Apakah reaksi berlangsung eksergonik atau endergonik? Manakah yang disebut G reaksi?

30 Faktor-faktor yang Memengaruhi Reaksi S N 2 (1) Substrat: Efek Sterik Dari keempat alkil halida di atas, manakah yang paling mudah diserang nukleofili?

31 Jadi, reaksi S N 2 lebih mudah terjadi pada alkil halida yang halangan steriknya tinggi atau rendah???

32 (2) Nukleofili Apa pengertian nukleofili? Ion negatif lebih nukleofilik (pemasok elektron yang lebih baik) daripada molekul netral. HO > HOH RS > RSH RO > ROH

33 Semakin elektronegatif kuat daya tarik elektronnya kurang nukleofilik. HS > HO I > Br > Cl > F R R R C R > N R > R O > F H 3 N > H 2 O > HF

34 Manakah nukleofili di bawah ini yang bereaksi lebih cepat dengan bromometana?

35 (3) Gugus Pergi Gugus pergi yang baik dapat menstabilkan muatan negatif. Urutan reaktivitas gugus pergi berkebalikan dengan urutan kebasaannya. Jadi, mengapa OH gugus pergi yang buruk? Mengapa I dan TosO gugus pergi yang baik? Reaksi S N 2 pada alkohol dan epoksida dibahas pada Bab 17 dan 18

36 (4) Pelarut Pelarut protik (air, alkohol) memiliki atom H terikat ke atom elektronegatif menurunkan nukleofilisitas Ikatan hidrogen melemah seiring bertambahnya ukuran nukleofili. Nukleofili yang lebih besar juga lebih terkutubkan (polarizable). Karena itu, dalam pelarut protik Nukleofilisitas

37 Pelarut aprotik polar lebih menyukai solvasi kation, anion nukleofili tidak tersolvasi karena tidak dapat membentuk ikatan hidrogen Karena itu, dalam pelarut aprotik polar, nukleofili telanjang dan meningkat nukleofilisitasnya. Jadi, manakah yang lebih baik untuk dijadikan pelarut reaksi S N 2, pelarut protik polar atau pelarut aprotik polar?

38 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. 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.

39 Pengaruh jenis substrat, nukleofili, gugus pergi, dan pelarut pada diagram energi reaksi S N 2.

40 11.3 REAKSI S N 1 Berkebalikan dengan S N 2 yang menyukai alkil halida 1, reaksi substitusi dengan air (H 2 O) justru berlangsung paling cepat pada alkil halida 3. Mengapa??

41 Yang manakah tahap penentu laju? 1, 2, atau 3? Tuliskan hukum laju reaksinya.

42 v = k[rx] REAKSI ORDE-PERTAMA (Laju reaksi hanya dipengaruhi oleh konsentrasi alkil halida) mekanisme S N 1 (substitusi nukleofilik unimolekular) Apa bedanya dengan diagram energi reaksi S N 2?

43 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: (ekuivalen dengan 80% R,S + 20% S)

44 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.

45 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. Mengapa karbokation tersier dan benzilik stabil?

46 Vinil dan aril halida juga sulit menjalani reaksi S N 1. Hibridisasi-sp 2 pada C- dan resonans PEB atom halogen memperpendek ikatan C X sehingga sulit diputus: Karbokation fenil (hibridisasi-sp) juga sangat tidak stabil dan pembentukannya tidak disukai.

47 (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.

48 (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.

49

50 Tetapan dielektrik ( ): kemampuan pelarut mengisolasi muatan yang berlawanan atau kation dari anionnya. 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) paling efektif mendorong ionisasi, namun senyawa organik umumnya kurang larut-air. Alkohol, campuran metanolair, atau etanol-air lazim digunakan dalam reaksi S N 1.

51 Reaksi S N 1 disebut solvolisis jika pelarut merangkap sebagai nukleofili. Latihan Solvolisis tert-butil klorida dalam campuran MeOH-H 2 O berlangsung semakin cepat dengan meningkatnya persentase air dalam campuran. Sebaliknya, laju reaksi etil klorida dengan KI dalam campuran yang sama justru melambat ketika persentase air diperbesar. Jelaskan hasil pengamatan ini.

52 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 1 tahap (serentak) 2 tahap (tahap 1 penentu-laju) 4 Zat antara Tidak ada Karbokation (hanya keadaan peralihan) 5 Orde reaksi Ke-2: v = k [RX][Nu: ] Ke-1: v = k [RX] 6 Molekularitas Bimolekular Unimolekular 7 Stereokimia Inversi konfigurasi Walden Rasemisasi (karbokation) Inversi > Retensi (psgn. ion) 8 Pelarut Disukai pada pelarut aprotik Disukai pada pelarut polar, polar terutama yang protik

53 Latihan: 1. Produk(-produk) apakah yang Anda harapkan dari reaksi (a) (R)-1-Bromo-1-feniletana dengan ion sianida, C N (b) Metanolisis turunan sikloheksana berikut: 2. Ramalkan mekanisme S N 1 atau S N 2 yang akan dijalani?

54 11.4 REAKSI ELIMINASI: ATURAN ZAITSEV Pada reaksi eliminasi, OH berperan sebagai basa Lewis yang bereaksi dengan H tetangga. Reaksi eliminasi umumnya menghasilkan campuran produk:

55 Produk alkena mana yang dominan? (1a) Ukuran basa kecil Aturan Zaitsev (= Zaitzev, Saytzeff, Saytseff, Saytzev; 1875) (1b) Ukuran basa meruah Aturan Hoffmann

56 11.5 REAKSI E2: Eliminasi Bimolekular Analog dengan reaksi S N 2, mekanisme E2 berlangsung 1 tahap tanpa zat antara. Basa kuat (HO, RO ) diperlukan untuk itu. keadaan transisi

57 Bukti-bukti mekanistik: (1) Studi kinetika basa dan alkil halida ambil bagian dalam tahap penentu-laju. v k RX B: REAKSI ORDE-KEDUA (2) Teramati efek isotop deuterium: Eliminasi HBr ~7x lebih cepat daripada eliminasi DBr ikatan C H (C D) diputus pada tahap penentu-laju.

58 (3) Bukti stereokimia: Reaksi E2 stereospesifik. meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletana (geometri antiperiplanar) (E)-1-bromo-1,2-difeniletilena (tidak terbentuk isomer Z) anti: H dan gugus pergi saling-silang periplanar: H -C -C -X sebidang

59 Cermati perbedaannya! (78%) + 2-Menthene (22%) 2- Menthene (100%)

60 Latihan 1. Produk apakah yang Anda harapkan dari reaksi 1-kloro-1-metil sikloheksana dengan KOH dalam etanol? 2. Bagaimana stereokimia alkena yang Anda perkirakan diperoleh dengan eliminasi E2 dari (1S,2S)-1,2-dibromo-1,2-difeniletana? Jawaban: 1. 1-kloro-1-metilsikloheksana 2. 1-metilsikloheksena (utama) metilenasikloheksana (tambahan)

61 11.6 REAKSI E1: Eliminasi Unimolekular Manakah yang merupakan tahap penentu lajunya? Karena sama-sama melalui karbokation, reaksi E1 selalu bersaing dengan S N 1, dengan produk S N 1 dominan untuk alkil halida.

62 Bukti-bukti mekanistik: (1) Kinetika reaksi orde-pertama, tanpa efek isotop deuterium. Mengapa? (2) Pada kondisi E1, mentil klorida menghasilkan 3-mentena sebagai produk utama. Mengapa E1 menghasilkan 2 campuran produk?

63 11.7 REAKSI E1cB Mekanisme E1cB seperti kebalikan mekanisme E1. Mekanisme E1cB terjadi apabila H sangat asam, sementara X adalah gugus pergi yang buruk, misalnya OH atau F.

64 11.8 PERSAINGAN S N VERSUS E Nukleofilisitas Afinitas terhadap karbon dalam reaksi S N 2. Kebasaan Afinitas terhadap proton. Semua nukleofili berpotensi sebagai basa dan semua basa berpotensi nukleofilik, karena kedua sifat ini melibatkan pasangan elektron bebas. Nukleofilisitas biasanya sejalan dengan kebasaan, misalnya OH > CH 3 CO 2 > H 2 O Karena itu, reaksi S N dan E sering bersaing satu sama lain.

65 Persaingan S N 2 dan E2: Reaksi dengan nukleofili atau basa kuat konsentrasi tinggi yang ukurannya kecil (1) Halida 1 o : S N 2 > E2 (2) Halida 2 o : S N 2 < E2 (3) Halida 3 o : E2 >> E1 & S N 1

66 Menaikkan suhu cenderung meningkatkan proporsi eliminasi. Hal ini karena reaksi eliminasi meningkatkan ketakteraturan (jumlah molekul produk > reaktan), sehingga S > 0. Eliminasi: 2 molekul reaktan 3 molekul produk CH 3 O + (CH 3 ) 3 CBr CH 2 =C(CH 3 ) 2 + CH 3 OH + Br Substitusi: 2 molekul reaktan 2 molekul produk CH 3 O + CH 3 CH 2 Br CH 3 CH 2 OCH 3 + Br G o = H o T S o Reaksi dengan S o > 0 spontan (memiliki G o < 0) jika T tinggi.

67 Dengan nukleofili/basa kuat yang ukurannya meruah, reaksi E2 > S N 2. Mengapa?

68 Faktor lain yang memengaruhi laju relatif S N 2 dan E2 ialah kebasaan (dan polarisabilitas) relatif dari nukleofili/basa: (1) Basa kuat (yang sedikit terpolarisasi) seperti NH 2 dan RO (khususnya yang terhalangi) cenderung meningkatkan E2. (2) Basa lemah (Cl, CH 3 CO 2 ) apalagi yang sangat terpolarisasi (Br, I, RS ) hampir 100% melalui jalur S N 2. Contoh: (CH 3 ) 2 CHBr + CH 3 CO 2 CH 3 CO 2 CH(CH 3 ) 2 (~100%) (CH 3 ) 2 CHBr + CH 3 CH 2 O CH 3 CH=CH 2 (dominan)

69 Persaingan S N 1 dan E1 (Halida 3 o ) Reaksi S N 1 dan E1 keduanya disukai oleh nukleofili atau basa lemah dalam (atau yang merangkap) pelarut protik polar. Reaksi S N 1 selalu mendominasi E1, karena hanya diperlukan 1- tahap serangan ke karbokation yang datar:

70 Menaikkan suhu sedikit memperbesar proporsi E1, tetapi S N 1 masih tetap dominan: 2-kloro-2-metilpropana 2-metil-2-propanol (64%) metilpropena (36%) Lebih lazim ditambahkan basa kuat untuk mendorong reaksi E2 apabila produk eliminasi yang dikehendaki.

71 Contoh: Produk(-produk) apa yang Anda harapkan dalam tiap reaksi berikut? Sebutkan mekanisme (S N 1, S N 2, E1, atau E2) yang membentuk tiap produk dan ramalkan jumlah relatifnya (satu-satunya produk, produk utama atau tambahan)

72 Jawaban: 1. - Substratnya halida 1 o. - Basa/nukleofilinya CH 3 O, basa kuat tak-meruah & nukleofili yang baik. - Reaksi S N 2 akan mendominasi produk utama CH 3 CH 2 CH 2 OCH 3. - Produk tambahan CH 3 CH=CH 2 dihasilkan melalui jalur E Perbedaan dari soal (a) ialah basanya kuat dan meruah. - Karena itu, produk E2 akan mendominasi S N HS nukleofili kuat, tetapi basa lemah reaksi akan hampir 100% S N 2 - Reaktan, (S)-2-bromobutana, kiral inversi konfigurasi menghasilkan (R)-2-butanatiol Basa/nukleofilinya HO, kuat & tak-meruah, tetapi substratnya halida 3 o. - Produk satu-satunya, CH 3 CH=C(CH 2 CH 3 ) 2, diperoleh dari reaksi E Reaksi metanolisis: pelarut CH 3 OH sebagai basa & nukleofili lemah. - Substratnya halida 3 o. - Reaksi S N 1 akan mendominasi, menghasilkan CH 3 OC(CH 2 CH 3 ) 3. - Reaksi E1 minor, menghasilkan CH 3 CH=C(CH 2 CH 3 ) 2 ]

73 Latihan 1: Produk(-produk) apa yang Anda harapkan dalam tiap reaksi berikut? Gambarkan mekanisme (S N 1, S N 2, E1, atau E2) yang membentuk tiap produk dan ramalkan jumlah relatifnya (satu-satunya produk, produk utama atau tambahan)

74 Latihan 2: 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 eksperimen persaingan berikut: Latihan 3: Ramalkan produk reaksi 1-bromo-1-metilsikloheksana dengan 1. Natrium etoksida dalam etanol 2. Refluks etanol (mendidih dengan volume dijaga ketat) Tuliskan mekanisme dihasilkannya produk tersebut.

75

76

77

78

79