KIMIA KELAS XII IPA - KURIKULUM GABUNGAN 18 Sesi NGAN Benzena Benzena merupakan senyawa hidrokarbon dengan rumus molekul C 6 H 6 dengan struktur berbentuk cincin (siklik) segienam beraturan. Struktur kimia benzena membuat senyawa ini memiliki karakteristik yang khas. Senyawa dengan cincin benzena disebut senyawa aromatis. Pada sesi kali ini kita akan membahas struktur dan tata nama turunan benzena, yaitu senyawa yang diperoleh dari penggantian satu atau lebih atom H pada benzena. Pada sesi berikutnya, kita akan membahas reaksi-reaksi benzena. A. STRUKTUR DAN SIFAT BENZENA Rumus molekul C 6 H 6 pada benzena menunjukkan bahwa senyawa tersebut bersifat sangat tidak jenuh (ingat: perbandingan atom C dengan H yang menandai kejenuhan ikatan hidrokarbon). Pada awalnya, para ahli kimia mengusulkan bahwa benzena mempunya struktur alifatik dengan ikatan rangkap dua dan rangkap tiga. Akan tetapi, struktur tersebut tidak dapat menjelaskan sifat-sifat benzena yang antara lain: a. Benzena sangat stabil dan tidak reaktif: Benzena tidak bereaksi dengan Br 2 meski pada suhu tinggi, kecuali jika digunakan katalis, berbeda dengan struktur alifatik jenuh yang dengan mudah dapat diadisi dengan Br 2. b. Monosubstitusi atom halogen (X) pada benzena hanya menghasilkan satu jenis senyawa, yaitu C 6 X. Tidak terjadi keisomeran geometri seperti yang dimiliki struktur alifatik tak jenuh seperti alkena. Pada tahun 1865, Friederich August Kekulé mengusulkan struktur segienam yang terdiri dari enam atom C yang masing-masing mengikat satu atom H, dengan ikatan rangkap 1
dua yang bergantian antara atom-atom C. Dengan demikian, terdapat tiga ikatan tunggal dan tiga ikatan rangkap dua pada benzena. Model ini digunakan selama bertahun-tahun karena mampu menjelaskan sifat-sifat dan reaksi benzena. Akan tetapi, seiring dengan berkembangnya ilmu pengetahuan, bukti-bukti menunjukkan bahwa struktur Kekulé tidak dapat menjelaskan fakta-fakta berikut: a. Dengan alat difraksi sinar X, diketahui bahwa panjang ikatan tunggal C-C adalah 0,154 nm sedangkan panjang ikatan rangkap dua C=C adalah 0,133 nm. Jika benzena mempunyai struktur Kekulé, benzena akan memiliki dua panjang ikatan yang berbeda. Namun, pengukuran menunjukkan bahwa panjang ikatan antaratom C pada benzena hanya memiliki satu nilai, yaitu 0,139 nm, yang menunjukkan bahwa semua ikatan pada benzena sama/setara, yaitu berada di antara panjang ikatan tunggal dan ikatan rangkap dua. b. Jika benzena memiliki tiga ikatan tunggal seperti model Kekulé, maka kereaktifan ikatan-ikatan tersebut seharusnya sama dengan ikatan rangkap pada alkena, yaitu bersifat dapat diadisi. Pada kenyataannya, benzena hanya terlibat pada reaksi substitusi. c. Perhitungan termokimia menunjukkan bahwa jika benzena memiliki struktur Kekulé, kalor pembentukan benzena dari unsur-unsurnya adalah +252 kj/mol. Akan tetapi, pengukuran menunjukkan bahwa kalor pembentukan benzena hanya +82 kj/mol. Artinya, struktur benzena yang sebenarnya jauh lebih stabil daripada struktur yang diusulkan oleh Kekulé. Berdasarkan fakta-fakta tersebut, pada tahun 1931 Linus Pauling merumuskan struktur benzena berada di antara dua struktur Kekulé yang memungkinkan. Struktur ini disebut hibrid resonansi. Ikatan pada cincin segienam berada di antara ikatan tunggal dan ikatan rangkap dua yang dilambangkan sebagai berikut: Pada struktur hibrid resonansi ini terlihat bahwa semua ikatan antaratom C adalah setara. Elektron-elektron yang digunakan untuk membentuk ikatan antar-atom C digunakan secara bersama-sama oleh seluruh atom C membentuk sistem delokalisasi yang sangat stabil. Struktur ini menjelaskan panjang ikatan benzena dan kereaktifan benzena yang rendah, serta stabilitas termodinamika yang tinggi. 2
Struktur benzena yang lebih simetris daripada struktur alifatik menjelaskan mengapa benzena memiliki titik leleh (6 o C) lebih tinggi daripada heksana (-95 o C). Benzena bersifat tidak larut dalam pelarut polar seperti air dan alkohol, tetapi dapat bercampur dengan pelarut nonpolar seperti kloroform. Elektron-elektron yang terdelokalisasi menyebabkan benzena memiliki struktur yang stabil dan kurang reaktif. Untuk dapat bereaksi dibutuhkan suhu dan tekanan tinggi serta katalis. Jenis reaksi kimia yang terjadi pada benzena umumnya adalah reaksi substitusi. Reaksi yang terjadi melibatkan serangan pada cincin benzena yang kaya akan elektron oleh elektrofil yang mengandung muatan positif parsial/utuh. Oleh karena itu, reaksi yang terjadi disebut reaksi substitusi elektrofilik. Selain itu, meski sulit, benzena dapat mengalami reaksi adisi pada kondisi ekstrim. Reaksi yang terjadi melibatkan radikal bebas, bukan ikatan rangkap, karena akan mengganggu delokalisasi elektron. Seperti halnya hidrokarbon yang lain, benzena juga dapat mengalami reaksi oksidasi berupa pembakaran. B. STRUKTUR DAN TATA NAMA TURUNAN BENZENA Turunan benzena diperoleh dari benzena dengan mengganti satu atau lebih atom H dengan gugus tertentu. Tata nama turunan benzena lebih sering menggunakan nama lazimnya, meskipun memiliki nama IUPAC. Pada sesi kali ini, kita akan mempelajari tata nama turunan benzena dengan satu dan lebih dari satu substituen. a. Turunan Benzena dengan Satu Substituen Benzena dengan satu substituen mengikuti sistem penamaan yang sama dengan penamaan hidrokarbon dengan benzena sebagai rantai induk. C 6 Cl adalah klorobenzena, C 6 adalah metil benzena, dan C 6 OH adalah hidroksibenzena. Akan tetapi, beberapa senyawa benzena dengan satu substituen memiliki penamaan lazim. C 6 memiliki nama lazim toluena dan C 6 OH memiliki nama lazim fenol. Berikut adalah contoh senyawa benzena dengan satu substituen dan nama lazimnya masing-masing. CH = CH 2 Stirena NO 2 Nitrobenzena CHO Toluena Benzaldehida 3
NH 2 COOH Anilina Asam Benzoat OH X Fenol Halobenzena SO 3 H Asam benzenasulfonat CO- Asetofenon O- Anisol Bila substituen tersebut adalah sebuah rantai hidrokarbon dengan jumlah C lebih dari jumlah C pada cincin aromatis, maka rantai aromatis akan menjadi substituen bagi rantai hidrokarbon dan nama senyawa yang digunakan adalah fenilalkana. Perhatikan contoh berikut: CH CH 2 C 5 H 11 Senyawa di atas memiliki nama 2-feniloktana, dengan cincin aromatis pada C 2. b. Turunan Benzena dengan Lebih dari Satu Substituen Dalam penamaan turunan benzena dengan substituen lebih dari satu, posisi substituen menjadi penting dengan adanya penomoran. Penomoran dapat dilakukan searah atau berlawanan arah jarum jam, agar substituen prioritas mendapatkan nomor terkecil. Urutan prioritas gugus fungsi pada penamaan benzena adalah sebagai berikut: COOH > SO 3 H > CHO > CN > OH > NH 2 > R > NO 2 > X Benzena dengan dua substituen dinamai dengan awalan orto-, meta-, dan para-, berdasarkan posisi satu substituen dengan substituen lain. 4
X X X Y Y Y meta- orto- para- Orto- adalah posisi substituen 1,2-, meta adalah posisi 1,3-, dan para- adalah posisi 1,4-, dengan C1 adalah gugus yang memiliki prioritas lebih tinggi. Jika terdapat lebih dari dua substituen, penamaan menggunakan penomoran angka. C. REAKSI-REAKSI BENZENA Benzena dengan satu substituen seperti di atas diperoleh melalui reaksi substitusi aromatik elektrofilik. Reaksi substitusi tersebut mendasari reaksi halogenasi, nitrasi, sulfonasi, hidroksilasi, alkilasi, dan asilasi benzena. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut. Alkilasi Friedel-Crafts + Cl AlCl 3 + CHl Fluorinasi F F-TEDA-BF 4 Brominasi Br + Br 2 FeBr 3 + HBr 5
Klorinasi Cl + Cl 2 FeCl 3 + HCl Iodinasi I + l 2 CuCl 2 + Hl Nitrasi NO 2 + HNO 3 H 2 SO 4 + H 2 O Sulfonasi SO 3 H + SO 3 H 2 SO 4 (pekat) 50 o C Asilasi Friedel Crafts CO + COCl AlCl 3 + HCI Formilasi Gatterman-Koch COH + CO, HCI AlCl 3, CuCl + H 2 O 6
l Reaksi Hidrogenasi + H 2 Panas, tekanan tinggi Pt, Pd, Ni, Ru, atau Rh D. PEMANFAATAN BENZENA DAN TURUNANNYA Benzena dan turunannya merupakan zat yang penting dalam industri untuk berbagai proses, seperti pembuatan deterjen (alkilbenzenasulfonat), insektisida, serat sintetis (nilon), obat-obatan (aspirin), pengawet makanan/minuman (natrium benzoat, butil hidroksi toluena atau BHT), dan minyak wangi. Selain itu, sifat benzena yang nonpolar juga dimanfaatkan sebagai pelarut untuk melarutkan senyawa-senyawa yang tidak larut dalam air. Akan tetapi, banyak senyawa turunan benzena yang bersifat racun dan karsinogenik. 7