Aromatisitas, Benzena, dan Benzena Tersubstitusi Bagian Kimia Organik Departemen Kimia FMIPA IPB Senyawa Aromatik Aromatik dahulu diartikan senyawa beraroma. Kini, aromatik merujuk sekelompok senyawa dengan cincin mirip-benzena dan menunjukkan perilaku kimia berbeda dari senyawa alifatik. estron (suatu steroid) atorvastatin (LipitorTM) obat penurun-kolesterol Sumber utama hidrokarbon aromatik sederhana ialah batu bara dan dalam jumlah lebih sedikit, minyak bumi. 1
Sumber utama senyawa aromatik : Penguraian termal batu bara pada 1000 ºC tanpa udara ter batu bara (campuran produk atsiri) penyulingan akan menghasilkan aneka senyawa aromatik. benzena (td 80 C) toluena (td 110 C) xilena (td: orto, 144 C; meta, 139 C; para, 138 C) indena (td 182 C) naftalena (tl 80 C) bifenil (tl 71 C) antrasena (tl 216 C) fenantrena (tl 101 C) 15.1 Tata Nama Benzena dan Turunannya Benzena monosubstitusi Tanpa nama umum: bromobenzena nitrobenzena etilbenzena Dengan nama umum (trivial): toluena (metilbenzena) fenol (fenol) anisol (metoksibenzena) stirena (etenilbenzena) 2
kumena (isopropilbenzena) anilina (anilina) benzaldehida (benzenakarbaldehida) asam benzoat (asam benzenakarboksilat) sinamaldehida [(E)-3-fenilpropenal] asetofenon (1-feniletanon) propiofenon (1-fenilpropanon) benzofenon (difenilmetanon) asam sinamat [asam (E)-3-fenilpropenoat] Benzena disubstitusi orto (1,2-) meta (1,3-) para (1,4-) Kedua substituen tidak memiliki nama umum: o-bromoklorobenzena (urut abjad Inggris) m-nitropropilbenzena 3
Salah satu substituen memiliki nama umum: p-klorostirena m-klorofenol o-etilanilina Kedua substituen memiliki nama umum: p-metoksikumena (p-isopropilanisol) o-hidroksitoluena (o-metilfenol/o-kresol) asam m-amino benzenasulfonat Kedua substituen identik: p-divinilbenzena o-dimetilbenzena (o-xilena) Benzena polisubstitusi: Gunakan penomoran. 4-bromo-1,2-dimetilbenzena 3,5-dimetilfenol 2,4,6-trinitrotoluena (TNT) 4
Gugus aril Senyawa aromatik disebut juga arena. Analog dengan alkana, pelepasan 1 atom hidrogen akan menghasilkan gugus aril. substituen fenil C 6 H 5 Jika substituen alkil < cincin ( 6 atom C), arena dinamai sebagai benzena tersubstitusi-alkil. Jika substituen alkil > cincin (> 6 atom C), arena dinamai sebagai alkana tersubstitusi-fenil. atau Nama substituen fenil juga digunakan jika terdapat gugus fungsi lain. Ph 2-pentilbenzena siklopropilbenzena trans-2-fenilsikloheksanol Latihan 1 1. Berikan nama IUPAC untuk senyawa berikut : 2. Gambarkan struktur senyawa berikut : a.p-bromoanilina b.m-kloroanilina c.1-kloro-3,5-dimetilbenzena 5
15.2 Kestabilan Benzena Keunikan Benzena : Benzena tidak menghilangkan warna Br 2 dalam CCl 4 maupun warna KMnO4. Dengan bantuan katalis FeBr 3, benzena menghilangkan warna Br 2, tetapi reaksinya substitusi, bukan adisi. Lebih stabil dibandingkan alkena padanannya Stabilisasi resonansi pada benzena + 3 H 2 sikloheksena + H 2 28,6 kkal mol -1 + 1,3-sikloheksadiena 2 H 2 + 3 H 2 Teori: 57,2 kkal mol -1 Eksp: 55,4 kkal mol -1 1,3,5-sikloheksatriena (struktur Kekule) BENZENA Teori: 85,8 kkal mol -1 Eksp: 49,8 kkal mol -1 Saat dihidrogenasi, benzena melepas kalor jauh lebih rendah ENERGI RESONANSI sikloheksana daripada 1,3,5-sikloheksatriena hipotetis. Selisih energi (85,8 49,8 = 36 kkal mol-1) ialah energi stabilisasi benzena yang disebut energi resonansi. 6
Bukti keunikan benzena: Dalam benzena (struktur hibrida resonansi), tidak ada ikatan tunggal (1,54 Å) atau rangkap (1,34 Å). Hanya ada satu jenis ikatan karbon-karbon, kira-kira di pertengahannya (1,39 Å): Orbital molekul benzena 7
15.3 Kearomatikan dan Aturan Hückel Ciri benzena dan senyawa aromatik seperti benzena : 1.Benzena merupakan molekul siklik dengan ikatan rangkap terkonjugasi 2.Benzena lebih stabil dibandingkan triena siklik terkonjugasi. 3.Benzena memiliki bentuk heksagon datar, dengan sudut 120, semua atom karbon terhibridisasi sp 2 dan panjang ikatan 139 pm 4.Benzena menjalani reaksi substitusi dibandingkan reaksi adisi 5.Benzena digambarkan sebagai hibrida resonansi Memenuhi aturan Hückel: elektron = (4n + 2); n = 0, 1, 2,... Aturan inilah yang akan kita gunakan di bawah ini. Benzena 3 ikatan rangkap-dua terkonjugasi 6 elektron Memenuhi aturan Hückel dengan n = 1 aromatik Siklobutana Dua ikatan rangkap (empat elektron π) 1,3,5,7-Siklooktatetraena empat ikatan rangkap (delapan elektron π) 8
Mengapa harus 4n+2? 15.4 Ion Aromatik Senyawa aromatik tidak harus senyawa netral, bisa saja berupa ion. Terdapat 3 cara eliminasi hidrogen dari ikatan C H: 1. Pelepasan hidrogen dengan sepasang PEB (H: ), menghasilkan karbokation 2. Pelepasan hidrogen dengan 1 elektron (H ), menghasilkan radikal karbon 3. Pelepasan hidrogen tanpa elektron (H + ), menghasilkan karbanion 9
Berdasarkan aturan Huckel, hanya anion siklopentadienil dan kation sikloheptatrienil yang merupakan senyawa aromatik 15.5 Heterosiklik Aromatik Heterosiklik ialah senyawa siklik yang mengandung atom selain karbon pada cincinnya, biasanya nitrogen, oksigen, dan sulfur Piridin (6 elektron π) PEB di orbital sp 2 PEB di orbital sp 2 PEB di orbital sp 2 Pirimidin (6 elektron π) PEB di orbital sp 2 PEB di orbital sp 2 10
Pasangan elektron di orbital p Pirola (6 elektron π) Apakah pirola bersifat basa? Mengapa? Pasangan Elektron Terdelokalisasi (p) Pasangan elektron di orbital p PEB di orbital sp 2 PEB di orbital sp 2 Imidazola (6 elektron π) Pasangan Elektron Terdelokalisasi (p) Apakah imidazola bersifat basa? Mengapa? Latihan 2 1. Tiofena, heterosiklik yang mengandung sulfur, menjalani reaksi substitusi seperti halnya senyawa aromatik. Mengapa tiofena aromatik? Gambarkan bentuk orbitalnya 2. Thiamin atau vitamin B, mengandung cincin thiazolium, jelaskan mengapa cincin thiazolium aromatik? 11
15-5. Polisiklik Aromatik Naftalena Antrasena Benzo[a]pirena Penyebab kanker yang ada pada rokok Korona 12
Latihan 3 1. Azulena adalah isomer dari naftalena. Apakah senyawa ini aromatik? Gambarkan struktur resonansinya untuk menjelaskan hal ini! 2. Berapa banyak elektron pada tiap atom N purin yang berkontribusi terhadapat sistem aromatik? B. Substitusi Aromatik Elektrofilik Benzena memiliki 6 elektron yang terdelokalisasi reaksi substitusi elektrofilik aromatik (S E Ar), bukan reaksi adisi Benzena Br 2 /CCl 4 gelap, 25 o C KMnO 4 /H 2 O 25 o C H 3 O + /H 2 O kalor H 2, Ni Tidak ada adisi bromin (warna bromin tidak hilang) Tidak ada oksidasi (warna KMnO 4 tidak berubah ke MnO 2 ) Tidak ada hidrasi Adisi perlahan-lahan pada suhu dan tekanan tinggi 13
Reaksi umum: Ar H + E + Ar E + H + X X 2, FeX 3 (X = Cl, Br) 25 o C + HX (halogenasi) HNO 3 H 2 SO 4 50 55 o C SO 3 H 2 SO 4 NO 2 + H 2 O SO 3 H + H 2 O (nitrasi) (sulfonasi) RCl, AlCl 3 (R dapat tertata ulang) O R C Cl, AlCl 3 R O CR + HCl + HCl (alkilasi Friedel-Crafts) (asilasi Friedel-Crafts) Halogenasi Benzena 14
F 2 reaktif reaksi sukar dibatasi hanya ke monofluorinasi I 2 tak reaktif perlu penambahan oksidator Contoh halogenasi pada sistem biologis 15
Nitrasi Benzena Sulfonasi Benzena 16
Alkilasi Friedel- Craft Keterbatasan alkilasi benzena: 1. Tidak bisa bereaksi dengan aril- dan vinil halida 2. Tidak bisa bereaksi jika benzena nya tersubstitusi gugus penarik elektron 17
Keterbatasan alkilasi benzena: 3. Sering menghasilkan campuran produk 4. Sering terjadi penataan-ulang Asilasi Friedel Craft 18
Latihan 4 1. Reaksi Friedel-Crafts benzena dengan 2-kloro-3-metilbutana terjadi dengan penataan-ulang karbokation. Prediksi struktur produk yang terbentuk! 2. Bagaimana cara membuat senyawa berikut dengan reaktan awal benzena 3. Ketika benzena direaksikan dengan D 2 SO 4, reaksi berlangsung lebih lambat dibandingkan reaksi dengan H 2 SO 4. Jelaskan mengapa? C. Reaksi Substitusi Kedua Dalam serangan elektrofilik pada benzena tersubstitusi, C 6 H 5 Y, gugus yang telah ada pada cincin ( Y) menentukan laju reaksi (reaktivitas) dan tapak reaksi (orientasi). REAKTIVITAS Pengaktif (aktivator) Pendeaktif (deaktivator) ORIENTASI Pengarah orto-para Pengarah meta 19
C. 1. Pengaruh Y pada Laju Masuknya Substituen Kedua Substituen yang terikat pada benzena dapat meningkatkan atau justru menurunkan reaktivitas cincin terhadap E +. Laju reaksi SUBSTITUEN PENGAKTIF. Laju reaksi SUBSTITUEN PENDEAKTIF. OH CH 3 H Cl NO 2 laju nitrasi (relatif) 1000 24,5 1,0 0,033 0,0000001 laju menurun Contoh: NH 2 gugus pengaktif: Br anilina NH 2 3 Br 2 H 2 O (tak perlu diberi katalis seperti benzena) Br Br NH 2 2,4,6-tribromoanilina (85%) 3 HBr (substitusi oleh 3 gugus Br sekaligus) NO 2 gugus pendeaktif: NO 2 nitrobenzena H NO 2 HNO 2 SO 4 3 NO 2 100 o (digunakan suhu yang lebih tinggi) m-dinitrobenzena (85%) H 2 O 20
Bagaimana substituen memengaruhi laju substitusi? Benzena bersifat kaya-elektron dan mudah bereaksi dengan E + : Substituen pendorong atau penyumbang elektron menaikkan rapatan-elektron benzena sehingga lebih reaktif terhadap E +. Sebaliknya, substituen penarik atau pengambil elektron menurunkannya sehingga benzena menjadi kurang reaktif. X X + X + X X pendorong e X penyumbang e X penarik e X pengambil e Efek induksi (I): I pendorong elektron I Θ penarik elektron Efek mesomeri/resonansi (R): R penyumbang elektron R Θ pengambil elektron Substituen Pendorong e Penyumbang e Penarik e Pengambil e -OH -CH 3 -Cl -NO 2 (Ingat stabilitas karbokation!) PENGAKTIF (pas e bebas pada atom O) (elektronegativitas atom O) (Daya sumbang e > daya tarik e ) (pas e bebas pada atom Cl) PENGAKTIF (elektronegativitas atom Cl) (Daya sumbang e < daya tarik e ) PENDEAKTIF (atom N bermuatan +) PENDEAKTIF (atom N bermuatan +) 21
I Substituen (Y) Pengaruh pada kereaktifan Efek induktif Efek resonansi NH 2 ; NHR ; NR 2 ; OH ; O O N H C R ; OR Pengaktif kuat Pengaktif sedang I Θ R > I Θ II III IV R ; X (halogen) C N ; O O C OH ; C OR ; O O C H ; C R ; O O S OH C NH 2 ; O O CX 3 ; NR 3 ; N O Pengaktif lemah I Pendeaktif lemah I Θ > R R Pendeaktif sedang Pendeaktif kuat I Θ R Θ > I Θ (kecuali CX 3 ) ATURAN UMUM: Substituen pengaktif cincin semuanya pengarah o-, p-. Substituen pendeaktif cincin semuanya pengarah m-, kecuali gugus halogen (-F, -Cl, -Br, -I) pengarah o-, p-. 22
C.2.1 Substituen Alkil Hanya pada ion benzenonium tersubstitusi o- dan p-, terdapat struktur resonansi dengan gugus metil terikat langsung pada atom C-cincin yang bermuatan positif. C.2.2 Substituen OH dan NH 2 Alasan substituen masuk pada posisi o- dan p- : Sebelum serangan: NH 2 NH 2 NH 2 NH 2 NH 2 Posisi o- dan p- lebih teraktifkan (karena bermuatan negatif parsial) daripada posisi m-. 23
Sesudah serangan: Memberikan 1 struktur kanonik resonansi tambahan pada kation benzenonium ketika berada di posisi o- dan p-. C.2.3 Substituen Halogen Penjelasan sebelum dan sesudah serangan untuk gugus kloro dan gugus halogen lainnya analog dengan anilina dan fenol. 24
C.2.3 Substituen Deaktivator intermediet pada posisi o- dan p-, terdapat struktur resonansi dengan muatan positif karbon terikat langsung pada atom C-aldehida, menyebabkan interaksi repulsif. Latihan: 1. Tuliskan persamaan reaksi (a) anisol + bromin (katalis Fe) (b) bromobenzena + asam sulfat pekat (kalor) + SO 3 (c) asam benzenasulfonat + HNO 3 pekat (kalor) (katalis H 2 SO 4 ) (d) toluena + asetil klorida (katalis AlCl 3 ) Contoh: 1. (a) 2 Fe (s) + 3 Br 2 2 FeBr 3 OCH 3 Br OCH 3 FeBr OCH 3 + 3 Br 2 + (Gugus OCH 3 pengarah o-,p-) Br 25
2. Ramalkan apakah substituen berikut pengaktif atau pendeaktif, pengarah o-, p- atau m-: O (a) SCH 3 (b) N(CH 3 ) 3 ` (c) O C CH 3 3. Rancanglah sintesis senyawa-senyawa berikut, dimulai dari benzena: (a) m-bromonitrobenzena (d) p-nitrotoluena (b) asam p-toluenasulfonat (e) o-etilnitrobenzena (c) asam m-klorobenzenasulfonat Jika gugus Br yang terlebih dahulu dimasukkan, akan didapat o- dan p-bromonitrobenzena: Br Br Br Br 2 FeBr 3 HNO 3 H 2 SO 4 NO 2 + NO 2 C. 3. Substitusi Ketiga 1. Bila kedua substituen yang terikat pada benzena mengarahkan pada satu posisi untuk gugus ketiga, maka posisi itu akan menjadi posisi utama bagi gugus ketiga. 26
Br Br 2 H 3 C NO 2 H 3 C NO FeBr 2 3 p-nitrotoluena 2-bromo-4-nitrotoluena (90%) 2. Bila kedua substituen yang terikat pada benzena mengarahkan gugus ketiga ke posisi yang berbeda, maka gugus pengaktif yang kuat menjadi penentunya. Cl Cl OH Cl 2 AlCl 3 Cl OH p-klorofenol 2,4-diklorofenol (94%) 3. Bila kedua substituen yang terikat pada benzena bersifat deaktivator, maka posisi gugus ketiga sulit ditentukan. 4. Bila kedua gugus yang terikat pada benzena berposisi meta satu sama lain, maka gugus ketiga tidak akan masuk pada posisi yang diapit oleh kedua gugus itu, sekalipun posisi ini teraktifkan. Hal ini mungkin karena adanya halangan sterik. Cl Cl Cl OCH 3 Cl 2 FeCl 3 Cl OCH 3 + OCH 3 m-kloroanisol 3,4-dikloroanisol (64%) Cl 2,5-dikloroanisol (18%) 27
D. Substitusi Nukleofilik Aromatik Aril Halida Aril dan vinil halida sederhana tidak mengalami reaksi S N, karena : (a) Gugus aril menghalangi serangan dari-belakang dalam reaksi S N 2: (b) Kation fenil sangat tidak stabil, maka reaksi S N 1 tidak terjadi. (c) Hibridisasi-sp 2 pada C- serta resonansi pas. e bebas atom halogen memperpendek ikatan C X pada aril dan vinil halida sehingga sulit diputus secara S N 2 maupun S N 1: 28
Reaksi S N Ar terjadi pada aril halida yang memiliki gugus(-gugus) penarik-elektron kuat, orto atau para terhadap atom halogen. Jumlah NO 2 bertambah Mekanisme Adisi- Eliminasi: S N Ar 29
Gugus penarik-elektron di posisi orto atau para memberi delokalisasi tambahan yang menstabilkan karbanion: (2) Mekanisme Eliminasi-Adisi: Benzuna Dalam kondisi ekstrem, klorobenzena dan bromobenzena tanpa penarik-elektron orto atau para dapat mengalami S N : 30
Reaksi berlangsung melalui zat-antara benzuna (dehidrobenzena): Peta potensial elektrostatik benzuna menunjukkan rapatan elektron tambahan di sisi cincin yang mengandung ikatan tambahan. Hasil ini menunjukkan bahwa orbital-orbital yang membentuk ikatan tambahan pada benzuna terletak sebidang dengan cincin. 31
Bukti keberadaan benzuna: (1) Mereaksikan klorobenzena bertanda- 13 C dengan ion amida menghasilkan 2 jenis anilina bertanda, sama banyaknya. (2) Mereaksikan o-klorotrifluorobenzena dengan ion amida tidak membentuk o-(trifluorometil)anilina, tetapi justru isomer m-nya: 32
(3) Benzuna dapat dibentuk dengan diazotisasi asam antranilat (asam 2-aminobenzoat) diikuti dengan eliminasi CO 2 dan N 2 : (4) Benzuna yang terbentuk dapat diperangkap dengan reaksi Diels-Alder, misalnya dengan menambahkan furan sebagai diena: Latihan 6 (1) 1-Fluoro-2,4-dinitrobenzena (FDNB) sangat reaktif terhadap substitusi nukleofilik melalui mekanisme S N Ar. Produk apa yang akan terbentuk ketika FDNB direaksikan dengan (a) natrium etoksida (b) amonia (c) anilina (d) CH 3 CH 2 SNa (2) Ketika o-klorotoluena dikenai kondisi yang digunakan dalam proses Dow (NaOH berair pada 350 o C dan tekanan tinggi), produk reaksinya adalah o- dan m-kresol. Berdasarkan hasil ini, usulkan mekanisme proses Dow. (3) Ketika 2-bromo-1,3-dimetilbenzena direaksikan dengan natrium amida dalam amonia cair, tidak terjadi substitusi. Bagaimana hasil ini dapat membuktikan mekanisme eliminasi-adisi? 33
E. Reaksi rantai samping Senyawa Aromatik E.1. Oksidasi E.2. Brominasi 34
Mekanisme H benzilik yang disubstitusi karena radikal benzilik distabilkan oleh resonansi E.3. Reduksi Senyawa Aromatik 35
Keunggulan asilasi Friedel-Crafts dimanfaatkan untuk mensintesis alkilbenzena secara tidak langsung, dengan rendemen yang tinggi, yaitu dengan melakukan reduksi Clemmensen pada produk asilbenzena. Konversi gugus karbonil menjadi metilen dengan hidrogenasi katalitik terbatas pada alkil aril keton. Sedangkan dialkil keton tidak dapat direduksi dengan cara ini Reduksi katalitik aril alkil keton juga tidak dapat dilakukan jika terdapat substituen nitro, karena nitro dapat tereduksi menjadi amina 36
Latihan 7 1. Tuliskan produk reaksi oksidasi senyawa berikut dengan KMnO 4 2. Bagaimana cara membuat difenilmetana (Ph) 2 CH 2 dari benzena dan HCl 3. Bagaimana cara menyintesis 4-bromo-2-nitrotoluena dari benzena Ringkasan reaksi 37
38