Reaksi Elektrofilik Dan Reaksi Nukleofilik

Tugas Kimia Organik

Reaksi Elektrofilik

Dan

Reaksi NukleofilikDisusun oleh :

Nama : Dewi Yulianti (1104103010008)

Dewi Yuli Anggraeni (1104103010005)

Dewi Oetary (1104103010011)

Riska Aulia (1104103010003)

Siti Sarah (1104103010018)

Sufi Humaira (1104103010010)

JURUSAN TEKNIK KIMIA

UNIVERSITAS SYIAH KUALA BANDA ACEH

2011/2012

Substitusi elektrofilik

Latar belakang

Substitusi elektrofilik terjadi pada banyak reaksi yang mengandung cincing benzen (arene). Untuk mempermudah sebelumnya kita akan melihat hanya pada cincin benzen. Disini yang perlu dimengerti untuk mekanisme substitusi elektrofilik:

Benzen, C6H6, adalah molekul planar yang berupa cincin dari 6 buah karbon yang masing-masing terikat pada hidrogen.

Terjadi delokalisasi pada bagian atas dan bawah dari bidang planar cincin.(lihat gambar).

Keberadaan dari elektron yang terdelokaslisasi membuat benzen stabil. Benzen memolak reaksi adisi sebab akan mengakibatkan hilangnya delokalisasi yang

membuat hilangngnya stabilisasi.

Benzen dilambangkan dengan simbol berikut ini, dimana cincin melambangkan elektron yang terdelokalisasi dan setiap sudut dari segienam merupakan atom karbon yang berikatan dengan hidrogen

Reaksi substitusi elektrofilik diakibatkan oleh ion positif

Benzen dan elektrofil

Karena elektron yang terdelokalisasi ter-exposed di bagian atas dan bawah dari bidang planar tempat molekul carbon berada, benzen menjadi sangat tertarik pada elektrofil (atom/molekul yang mencari daerah yang kaya akan elektron pada molekul yang lain. Elektrofil bisa merupakan ion positif, atau bagian yang yang memiliki polaritas positif pada sebuah molekul.

Elektron yang terdelokalisasi pada bagian atas dan bawah dari bidang planar molekul benzen sangat mudah diserang, sama seperti bagian atas dan bawah pada molekul eten. Namun hasil keduanya tidaklah sama.

Jika benzen mengalami reaksi adisi sama seperti eten sebagian dari elekton yang terdelokalisasi harus berikatan dengan atom atau grup yang baru. Sehingga delokalisasi akan terputus, dan ini membutuhkan energi. Sebaliknya, delokalisasi akan bisa tetap dipertahankan jika atom hidrogen digantikan dengan sesuatu yang lain (reaksi substitusi). Atom hidrogen tidak memiliki hubungan dengan dislokalisasi. Pada kebanyakan reaksi dengan benzen, elektrofil merupakan ion positif dan reaksi ini memiliki suatu pola general.

Mekanisme general

Tahap pertama

Seandainya elektrofil merupakan ion positif X+. Dua dari elektron pada sisten yang terdeloakalisai tertarik kearah X+ dan membentuk ikatan. Sehingga terjadi pemutusan dislokalisasi, walaupun tidak seluruhnya.

Ion yang terbentuk pada tahap ini bukan merupakan hasil akhir. Tahap ini hanya merupakan tahap antara. Hasilnya merupakan hasil antara.

Masih terjadi delokalisasi pada hasil antara, namun hanya pada sebagian daerah dari ion. Ion pada hasil antara bermuatan positif sebagai hasil dari penggabungan molekul netral dan ion positif. Muatan positif ini lalu menyebar sepanjang daerah yang terdelokalisasi pada cincin. Anda cukup menggambarkan “+” pada bagian tengah cincin untuk menunjukkan hal ini.

Hidrogen pada bagian bagian atas dari gambar bukanlah hidrogen yang baru, hidrogen tersebut sudah berikatan pada carbon yang sama sebelum reaksi. Dan untuk lebih memperjelas reaksi selanjutnya hidrogen tersebut perlu dituliskan.

Tahap kedua

Disini akan diperkenalkan ion baru, Y-. Tidak mungkin untuk mendapatkan positif ion saja pada suatu sistem kimia. Jadi ion Y- merupakan ion yang sebelumnya berikatan dengan X+.

Elektron tidak berpasangan pada Y-membentuk ikatan dengan atom hidrogen pada bagian atas dari cincin. Ini berarti bahwa pasangan dari elektron yang menghubungkan hidrogen dengan cincin tidak diperlukan lagi. Bagian tersebut lalu bergerak kebawah dan mengisi ruang kosong pada daerah dislokalisasi elektron dan mengembalikan dislokalisasi elektron seperti semula. Sehingga stabilitas benzen-pun kembali.

Energi pada reaksi

Dislokalisasi sempurna terputus sementara saat X menggantikan H pada cincin dan ini membutuhkan energi. Namun energi tersebut terbayar saat dislokalisasi kembali terbentuk. Energi awal yang diperlukan menjadi energi aktivasi dari reaksi (sekitar 150 kJ mol-1), dan ini berarti reaksi benzen memiliki kecepatan reaksi yang lambat.

Adisi Elektrofilik

Latar Belakang

Adisi elektrofilik terajadi pada banyak reaksi pada senyawa yang mengandung karbon-karbon ikatan rangkap -dengan kata lain alkena.

Struktur dari Eten

Kita akan mulai melihat pada eten yang merupakan molekul karbon ikatan rangkap yang paling sederhana. Reaksi yang terjadi pada eten bisa dianggap terjadi juga pada ikatan C=C yang lain.

Eten C2H4 seringkali dimodelkan seperti pada gambar diatas. Ikatan rangkap merupakan dua pasang elektron. Yang tidak ditunjukkan oleh gambar yaitu bahwa kedua pasangan elektron tersebut tidaklah sama. Salah satu dari pasangan elektron berada pada garis antara kedua karbon, namun pasangan yang lain berada pada orbital molekular diatas dan dibawah bidang dimana molekul berada. Orbital molekul merupakan ruang pada molekul dimana terdapat proabilitas yang tinggi untuk dapat menemukan elektron.

Pada gambar ini, garis antara dua karbon mewakili ikatan normal -pasangan elektron berada pada orbital molekul pada garis diantara kedua inti atom. Ikatan macam ini disebut juga dengan ikatan sigma. Pasangan elektron yang lain ditemukan pada daerah yang berwarna merah diatas dan dibawah bidang dimana molekul berada. Ikatan macam ini disebut juga sebagai ikatan pi. Elektron pada ikatan pi bebas untuk bergerak dimanapun pada daerah tersebut. Elektron ikatan pi tidak sepenuhnya berada dibawah pengaruh inti atom karbon tidak seperti pada ikatan sigma dan karena terletak pada bagian atas dan bawah dari molekul, lebih rentan terhadap serangan.

Elektrofil

Elektrofil merupakan sesuatu yang tertarik pada elektron, Dan karena tertarik oleh daerah negatif, elektrofil harus merupakan sesuatu yang memebawa muatan positif penuh atau memiliki sedikit muatan positif disuatu daerah padanya.

Eter dan alkena yang lain diserang oleh elektrofil. elektrofilk biasanya ujung yang sedikit lebih positif ( +) dari sebuah molekul seperti hidrogen bromida, HBr. Elektrofil tertarik dengan kuat ke elektron yang terekpose pada ikatan pi dan reaksi terjadi karena adanya reaksi inisiasi. Walaupun ion ini tertarik dengan baik oleh ikatan pi, tidak ada kemungkinan proses akan berlanjut antara natrium dan karbon, karena sodium membentuk ikatan ionik dimana karbon membentuk ikatan kovalen.

Reaksi Adisi

Struktur karbon lebih stabil pada ikatan tunggal daripada pada ikatan rangkap. Ikatan pi sering terputus dan elektronnya dipakai untuk berikatan dengan atom lain. Sebagai contoh, dengan menggunakan molekul yang umum X-Y

Reaksi adisi elektrofilik

Reaksi adisi merupakan reaksi dimana dua buah molekul bergabung menghasilkan molekul yang lebih besar. Tidak ada yang hilang selama proses berlangsung. Semua atom dari molekul awal dapat ditemukan pada molekul hasil penggabungan.

Reaksi adisi elektrofilik merupakan reaksi adisi yang terjadi karena yang kita pikir sebagai molekul yang “penting” terserang oleh elektrofil. Molekul yang “penting” tersebut memiliki daerah dengan kepadatan elekton yang tinggi yang terserang oleh yang bermuatan positif.

Pemahaman mekanisme adisi elektrofilik

Mekanisme untuk reaksi antara eter dan molekul X-Y

Dua atom yang berbeda yang berikatan memiliki elektronegatifitas ang berbeda. Akan diasumsikan bahwa Y lebih elektronegatif dari X, sehingga pasangan elektron tertarik ke arah Y. Ini berarti atom X membawa muatan yang lebih positif. Muatan X yang lebih positif tersebut merupakan elektrofil dan tertarik ke arah ikatan pi pada eten yang terekspos. Sekarang bayangkan saat mereka mendekati satu sama lain.

Dapat ditemukan elektron pada setengah bagian ikatan pi yang dekat dengan XY. Selama proses berlanjut, kedua elektron pada ikatan pi bergerak lebih mendekat lagi ke arah X sampai ikatan kovalen pun terbentuk. Elektron pada ikatan X-Y terdorong seluruhnya kearah Y dan memberikan ion negatif Y- .

PENTING!!

Bentuk ion dari karbon yang bermuatan positf disebut juga sebagai ion karbonium atau karbokation.

Pada tahap terakhir dari reaksi elektron pada pasangan bebas ion Y- tertarik dengan kuat ke arah atom karbon. Terbentuklah ikatan koordinasi antara Y dan atom karbon. Gerakan dari berbagai macam pasangan elektron ditunjukkan dengan menggunakan panah melengkung.

Adisi Elektrofilik Pada Alkena Asimetris

Adisi H-X pada sebuah alkena asimetris seperti propena

Alkena asimetris adalah alkena seperti propena atau but-1-ena dimana gugus-gugus atau atom-atom yang terikat pada kedua ujung ikatan rangkap C=C tidak sama. Sebagai contoh, pada propena terdapat satu hidrogen dan sebuah gugus metil pada salah satu ujung, tetapi terdapat dua atom hidrogen pada ujung yang lain dari ikatan rangkap.

Dengan alkena-alkena yang tidak simetris ini, ada kemungkinan diperoleh dua produk berbeda selama beberapa reaksi adisi. Selama adisi sebuah molekul HX pada propena, pada dasarnya salah satu dari kedua reaksi berikut ini bisa terjadi:

atau reaksi berikut:

Reaksi mana yang akan terjadi tergantung cara mengadisi HX ke ikatan rangkap. Sebenarnya, pada kebanyakan kasus, reaksi yang terjadi sebagian besar adalah reaksi ke-dua di atas. Atom hidrogen menjadi terikat pada atom karbon sebelah kanan seperti yang telah digambarkan.

Kaidah Markovnikov

Apabila sebuah senyawa HX diadisi ke sebuah alkena asimetris, maka atom hidrogen akan terikat pada atom karbon yang sebelumnya mengikat lebih banyak atom hidrogen.

Perlu diingat bahwa HX harus mengikatkan dirinya ke atom-atom karbon yang merupakan bagian dari ikatan rangkap. Sehingga dalam hal ini, dengan mengadisi HX pada CH3CH=CH2, hidrogen akan terikat pada gugus CH2, karena gugus CH2 memiliki lebih banyak hidrogen dibanding gugus CH. Perhatikan bahwa hanya hidrogen yang terikat langsung pada karbon ikatan rangkap yang dihitung. Atom-atom hidrogen yang terdapat pada gugus CH3 tidak dihitung.

Mekanisme HX sebagai sebuah elektrofil

Pada masing-masing contoh yang disebutkan di atas, X lebih elektronegatif dibanding hidrogen. Ini berarti bahwa pasangan elektron ikatan akan tertarik ke arah ujung X dari ikatan, sehingga hidrogen menjadi sedikit bermuatan positif. Hidrogen yang sedikit bermuatan positif ini adalah elektrofil, dan tertarik ke ikatan pi dalam propena.

Apa yang terjadi selanjutnya akan menentukan pada ujung mana HX akan masuk ke ikatan rangkap.

Dua kemungkinan mekanisme

Pada kedua kemungkinan, ikatan pi terputus dan pasangan elektron tertarik ke atom hidrogen membentuk sebuah ikatan. Pada saat yang sama, elektron-elektron dalam ikatan H-X terdesak ke X menghasilkan sebuah ion X-. Perbedaan diantara kedua mekanisme adalah arah pergerakan pasangan elektron dalam ikatan pi.

Kemungkinan pertama

Pasangan elektron bergerak untuk membentuk sebuah ikatan antara hidrogen dengan atom karbon di sebelah kiri.

Ketika tahap kedua dari mekanisme terjadi, dan pasangan elektron bebas pada X- membentuk sebuah ikatan dengan atom karbon positif, maka produk dari mekanisme ini adalah produk yang tidak mengikuti kaidah Markovnikov.

Kemungkinan kedua

Pasangan elektron bergerak untuk membuat ikatan antara hidrogen dengan atom karbon di sebelah kanan.

Kali ini, mekanisme keseluruhan menghasilkan produk yang tepat (memenuhi kaidah Markovnikov).

Salah satu dari kedua mekanisme ini memang lebih baik dibanding yang lainnya. Mekanisme kedua berlangsung lebih cepat dibanding yang pertama, sehingga kebanyakan produk yang terbentuk adalah CH3-CHX-CH3. CH3-CH2-CH2X yang terbentuk jumlahnya akan sedikit ketimbang yang disebutkan oleh Markovnikov. Perbedaan antara kedua mekanisme ini terletak pada produk intermediet – sesuatu yang terbentuk pada tahap setengah-jalan.

Pada mekanisme yang berlangsung paling baik, diperoleh karbokation sekunder yang terbentuk sebagai salah satu ion intermediet.

Sedangkan pada mekanisme lambat yang sangat sulit menghasilkan produk apapun, karbokation yang terbentuk adalah karbokation primer.

Jauh lebih mudah membentuk karbokation sekunder karena lebih stabil dari segi energi. Energi aktivitasi untuk reaksi akan lebih kecil, sehingga kebanyakan reaksi terjadi melalui mekanisme tersebut.

Reaksi antara Alkena Simetri dan Hidrogren Halida

Reaksi adisi elektrofilik menggunakan hidrogen bromida

Hidrogen bromida dipilih sebagai hidrogen halida yang umum. Bromida lebih elektronegatif daripada hidrogen. Itu artinya pasangan elektron ikatan ditarik menuju ke ujung ikatan bromida, dan karenanya molekul hidrogen bromida bersifat polar.

Reaksi etena dengan hidrogen bromida

Struktur etena diperlihatkan pada gambar di samping kanan. Ikatan pi adalah orbital di atas dan bawah sepanjang bidang molekul, dan secara relatif melingkupi daerah sekitarnya. Kedua elektron pada orbital ini sangat atraktif terhadap apa saja yang bermuatan positif. Atom hidrogen yang sedikit positif di hidrogen bromida bertindak sebagai sebuah elektrofil, dan secara kuatnya tertarik pada elektron-elektron ikatan pi.

Elektron-elektron ikatan pi bergerak menuju ke atom hidrogen yang sedikit positif. Pada prosesnya, elektron-elektron ikatan H-Br diusir turun seluruhnya menuju ke atom bromida, menghasilkan ion bromida. Hal tersebut meninggalkan dua ion ini untuk anda di setengah tahap reaksi :

Ion dengan muatan positif pada atom karbon disebut karbokation atau ion karbonium (istilah lama). Ikatan pi pada dasarnya dibentuk oleh sebuah elektron dari masing-masing atom karbon. Kedua elektron tersebut yang digunakan untuk membentuk ikatan baru dengan hidrogen. Akibatnya karbon sebelah kanan menjadi kekurangan elektron – karenanya bermuatan positif.

Pada tahap kedua mekanisme, pasangan elektron bebas pada bromida secara kuatnya tertarik bergerak menuju ke karbon positif dan terus maju hingga terbentuk ikatan.

Mekanisme keseluruhannya menjadi :

Reaksi sikloheksena dengan hidrogen bromida

Sikloheksena dipilih sebagai contoh dari alkena simetri yang umumnya sering digunakan. Kenyataan bahwa sikloheksena mempunyai struktur berbentuk cincin tidak membuat perbedaan pada mekanismenya. Struktur lengkap dari sikloheksena adalah :

Tapi sering disingkat menjadi :

Terlihat pada gambar ini, terdapat satu atom karbon pada setiap sudut, dan hidrogen yang melekat pada setiap karbon cukup untuk menghasilkan nilai total ikatan per atom karbon hingga mencapai 4. Ikatan rangkap mempunyai sebuah ikatan pi yang mudah untuk melakukan serangan persis sama seperti pada etena, dan elektron-elektron ikatan tersebut tertarik bergerak menuju atom hidrogen yang sedikit positif pada HBr. Sekali lagi, elektron-elektron ikatan pi berayun untuk membuat ikatan dengan hidrogen, dan mendorong elektron-elektron ikatan H-Br seluruhnya menuju ke bromida, menghasilkan ion bromida.

Pada langkah kedua, satu dari pasangan elektron bromida tertarik bergerak menuju ke atom karbon yang bermuatan positif dan membentuk ikatan dengannya.

Mekanisme keseluruhannya menjadi:

Reaksi adisi elektrofilik menggunakan hidrogen halida lainnya

Mekanismenya

Hidrogen halida lainnya berkelakuan persis sama seperti hidrogen bromida. Sebagai contoh, bandingkan reaksi antara etena dan hidrogen bromida dengan reaksi antara etena dan hidrogen klorida.

Tidak perlu untuk mempelajari kedua mekanisme tersebut. Selama masih bisa memahami salah satunya, yang perlu dilakukan adalah menukar satu halogen dengan yang lain. Hal ini berlaku sama benar untuk hidrogen flourida ataupun hidrogen iodida.

Perbedaan kecepatan reaksi

Kecepatan reaksi meningkat seiring dengan urutan dari HF ke HCl ke HBr ke HI.

HF Reaksi paling lambat

HCl

HBr

HI Reaksi paling cepat

Alasan yang menyebabkan hal ini adalah bahwa seiring bertambah besarnya ukuran atom halogen, kekuatan ikatan hidrogen-halogen semakin lemah. Kekuatan ikatan (dalam satuan kilojoule per mol) yaitu:

H-F 568

H-Cl 432

H-Br 366

H-I 298

Pada tahap pertama mekanisme-mekanisme di atas, ikatan hidrogen-halogen putus saat pasangan elektron dipaksa bergerak menuju atom halogen. Untuk memutuskan ikatan diperlukan energi, dan apabila ikatannya lemah, maka makin mudah diputus – diperlukan sedikit energi. Itu artinya bahwa energi aktivasi reaksi akan semakin rendah dari hidrogen flourida ke hidrogen iodida. Semakin rendah energi aktivasi, reaksi berjalan semakin cepat.

Reaksi antara Alkena Simetri dan Asam Sulfat

Reaksi adisi elektrofilik antara etena dan asam sulfat

Reaksi ini terlihat lebih rumit daripada reaksi antara etena dan hidrogen bromida, padahal tidak karena satu-satunya masalah adalah H2SO4 mempunyai struktur yang lebih rumit daripada HBr. Sedangkan mekanismenya persis sama.

Struktur asam sulfat

Bandingkan struktur asam sulfat dengan hidrogen bromida:

Dititik beratkan hanya pada satu hidrogen dalam asam sulfat karena yang satunya akan terletak jauh dari ikatan ganda alkena saat molekul-molekul bergerak saling mendekati satu sama lain. Pada setiap kasus, hidrogen melekat pada elemen yang lebih elektronegatif, dan karenanya membawa muatan yang sedikit positif. Ini artinya atom hidrogen akan bertindak sebagai elektrofil. Ketika asam sulfat bereaksi, seluruh bagian molekul yang diarsir berada tetap sebagai satu kesatuan unit. Yang terjadi pada unit tersebut persis sama seperti yang terjadi pada bromida di reaksi yang melibatkan HBr. Ketika menulis mekanisme yang melibatkan asam sulfat di dalamnya, pastikan bahwa bagian yang diarsir tidak berubah secara keseluruhan terlepas di bagian mana anda akan mengubah bromida. Sebagai contoh, anda akan perlu menuliskan pasangan elektron bebas dan muatan negatif pada atom oksigen di tengah-tengah mekanisme. Hal itu tepatnya yang perlu anda lakukan dengan bromida pada kasus HBr.

Mekanisme

Struktur etena diperlihatkan pada gambar di samping kanan. Ikatan pi adalah orbital di atas dan bawah sepanjang bidang molekul, dan secara relatif melingkupi daerah sekitarnya. Kedua elektron pada orbital ini sangat atraktif terhadap apa saja yang bermuatan positif. Atom hidrogen yang sedikit positif pada asam sulfat bertindak sebagai elektrofil, dan secara kuatnya tertarik pada elektron-elektron ikatan pi.

Elektron-elektron ikatan pi bergerak turun menuju atom hidrogen yang sedikit positif. Pada prosesnya, elektron-elektron ikatan hidrogen-oksigen terusir seluruhnya menuju ke atom oksigen, menghasilkan ion negatif. Jadi tahap pertama dari reaksi adalah:

Ion dengan muatan positif pada atom karbon disebut dengan karbokation atau ion karbonium (istilah lama). Ikatan pi pada dasarnya dibentuk oleh sebuah elektron dari masing-masing atom karbon. Kedua elektron tersebut yang digunakan untuk membentuk ikatan baru dengan hidrogen. Akibatnya karbon sebelah kanan menjadi kekurangan elektron – karenanya bermuatan positif.

Pada tahap kedua mekanisme, pasangan elektron bebas pada atom oksigen secara kuatnya tertarik bergerak menuju karbon positif dan terus maju hingga terbentuk ikatan.

Mekanisme keseluruhannya menjadi :

Reaksi adisi elektrofilik antara sikloheksena dan asam sulfat

ikatan pi putus dan pasangan elektronnya digunakan untuk membentuk ikatan dengan atom hidrogen;

elektron-elektron pada ikatan hidrogen-oksigen didorong bergerak menuju atom oksogen menghasilkan muatan negatif sepenuhnya;

atom karbon paling bawah pada ikatan C=C asal menjadi bermuatan positif karena elektron yang biasanya dialirkan menuju ikatan pi dialihkan untuk membentuk ikatan baru.

Pada tahap kedua, pasangan elektron bebas pada oksigen yang bermuatan negatif tertarik bergerak menuju karbon yang bermuatan positif dan membentuk ikatan.

Mekanisme keseluruhannya menjadi

Reaksi antara Alkena Simetri dan Bromida

Adisi elektrofilik dari bromida pada etena

Struktur etena

Struktur etena ditunjukkan pada gambar di sisi kanan. Ikatan pi adalah sebuah orbital yang terletak di atas dan bawah sepanjang bidang molekul, dan secara relatif melingkupi daerah sekitarnya.

Bromida sebagai elektrofil

Karena dua atom bromida yang identik bergabung bersama membentuk molekul bromida maka tidak ada alasan mengapa satu atom lebih kuat menarik pasangan elektron ikatan menuju ke arahnya – mereka seharusnya mempunyai keelektronegatifan yang sama dan karenanya tidak akan pernah terjadi pemisahan muatan, + atau -.

Pada kenyataannya, bromida merupakan molekul yang sangat dapat dipolarisasi – dengan kata lain, elektron-elektron ikatan sangat mudah berpindah dari satu atom menuju ke atom lainnya. Ketika molekul bromida mendekati etena, elektron-elektron ikatan pi cenderung untuk tolak menolak dengan elektron-elektron ikatan bromida-bromida, meninggalkan bromida yang terdekat menjadi sedikit positif dan yang lebih jauh menjadi sedikit negatif.

Pada molekul bromida karenanya diperoleh dipol terinduksi yang secara otomatis menunjang suksesnya serangan etena.

Mekanisme dengan versi yang disederhanakan

Elektron-elektron ikatan pi bergerak menuju atom bromida yang sedikit positif.

Pada prosesnya, elektron-elektron ikatan Br-Br terusir turun sepenuhnya menuju ke atom bromida bagian bawah, menghasilkan ion bromida. Ion dengan muatan positif pada atom karbon disebut karbokation atau ion karbonium. Mengapa terdapat muatan positif pada atom karbon – Ikatan pi pada dasarnya dibentuk oleh sebuah elektron dari masing-masing atom karbon. Kedua elektron tersebut yang digunakan untuk membuat ikatan baru dengan bromida. Hal ini menyebabkan karbon sebelah-kanan mengalami kekurangan elektron – karenanya bermuatan positif. Pada tahap kedua mekanisme, pasangan elektron bebas bromida secara kuatnya tertarik bergerak menuju ke karbon positif dan terus maju hingga terbentuk sebuah ikatan.


Mekanisme dengan versi yang lebih tepat

Awal reaksi sama seperti pada versi yang disederhanakan, dengan elektron-elektron ikatan pi bergerak menuju ke atom bromida yang sedikit positif. Tetapi kali ini, atom bromida bagian atas menjadi lekat pada kedua atom karbon, dengan muatan positif cenderung ditemukan pada bromida daripada di salah satu atom karbon. Ion bromonium telah terbentuk.

Kemudian ion bromonium diserang dari belakang oleh ion bromida yang terbentuk pada reaksi sebelumnya. Serangan tidak dapat dilakukan melalui sisi ion bromida asal karena ion bromonium telah tertutupi sepenuhnya dengan bromida positif pada sisi tersebut.

Tidak masalah atom karbon mana yang diserang oleh ion bromida – hasil akhirnya akan selalu sama.

Adisi elektrofilik dari bromida pada sikloheksena

Mekanisme dengan versi yang disederhanakan

Elektron-elektron ikatan pi bergerak menuju atom bromida yang sedikit positif.

Pada prosesnya, elektron-elektron ikatan bromida-bromida terusir mundur hingga seluruhnya berada pada atom bromida sebelah-kanan, menghasilkan ion bromida. Sama persis seperti pada etena, sebuah karbokation terbentuk. Atom karbon di bagian bawah kehilangan salah satu elektronnya ketika ikatan pi berayun menuju bromida. Pada tahap kedua mekanisme, pasangan elektron dari ion bromida secara kuatnya tertarik bergerak menuju ke karbon positif dan terus maju hingga terbentuk ikatan.


Mekanisme dengan versi alternatif

Awal reaksi sama seperti pada versi yang disederhanakan, dengan elektron-elektron ikatan pi bergerak menuju ke atom bromida yang sedikit positif. Tapi kali ini, atom bromida sebelah kiri menjadi lekat pada kedua atom karbon, dengan muatan positif cenderung ditemukan pada atom bromida daripada di kedua atom karbon. Ion bromonium telah terbentuk..

Ion bromonium kemudian diserang dari belakang oleh ion bromida yang terbentuk pada reaksi sebelumnya. Serangan tidak dapat dilakukan melalui sisi ion bromida asal karena jalan menuju sisi tersebut telah terhalangi oleh atom bromida positif.

Tidak masalah atom karbon bagian mana dari ikatan ganda asal yang diserang oleh ion bromida – hasil akhirnya akan tetap sama.

Substitusi Nukleofilik Ganda dalam Reaksi Antara Halogenalkana dan Amonia

Substitusi pertama

Pasangan elektron bebas pada atom nitrogen dalam sebuah molekul amonia tertarik ke arah atom karbon + dalam halogenalkana – dalam contoh ini, bromoetana. Pasangan elektron bebas dalam nitrogen ini membentuk ikatan dengan halogenalkana – dalam proses ini melepaskan bromin sebagai sebuah ion bromida.

Sebuah garam terbentuk yakni etilamonium bromida. Selanjutnya ada kemungkinan molekul amonia lain melepaskan sebuah hidrogen dari ion positif menghasilkan sebuah amina primer – etilamin. Sebuah amina primer memiliki rumus umum RNH2. Reaksi ini dapat balik (reversibel), dan amonia bebas dalam jumlah banyak hanya diperoleh jika digunakan amonia yang sangat berlebih.

Produk reaksi sebagai sebuah nukleofil

Pada akhir substitusi pertama ini akan terbentuk beberapa amina primer bebas – yakni CH3CH2NH2 pada contoh di atas. Kuantitasnya mungkin tidak begitu banyak, tetapi akan ada beberapa. Jika jumlah yang sedikit ini bereaksi dengan sesuatu yang lain, maka reaksi balik tidak bisa terjadi lagi. Amina bebas akan terus terbentuk, dan reaksi yang awalnya dapat balik (reversibel) sekarang menjadi reaksi satu-arah – sehingga amina bebas terlepas oleh beberapa reaksi lain segera setelah terbentuk. Sekarang bandingkan struktur amonia dengan etilamin:

Dapat dianggap amina primer sebagai molekul amonia yang sedikit dimodifikasi. Dia memiliki sepasang elektron bebas pada atom nitrogennya dan bahkan muatan - yang lebih besar dibanding pada amonia. Ini berarti bahwa amina prmer akan menjadi nukleofil yang lebih baik dibanding amonia. Dengan demikian dia bereaksi dengan sebuah molekul dari halogenalkana.

Pembentukan amina sekunder dari sebuah amina primer

Pengertian amina sekunder

Amina sekunder memiliki rumus umum R2NH. Dia mirip dengan sebuah molekul amonia (NH3) dimana dua atom hidrogen telah digantikan oleh gugus-gugus alkil.

Mekanisme

Pasangan elektron bebas pada atom nitrogen dalam amina primer menyerang atom karbon + persis sama seperti serangan amonia. Bromin dilepaskan sebagai sebuah ion bromida, dan produk yang terbentuk adalah garam yang disebut dietilamonium bromida – (CH3CH2)2NH2

+ Br-. Secara esensial garam ini adalah amonium bromida dimana dua atom hidrogen yang terikat pada nitrogen telah digantikan oleh gugus etil. Ini selanjutnya bereaksi dengan amonia dengan reaksi yang dapat balik (reversibel), persis sama dengan yang telah dijelaskan di atas:

Produk organik yang terbentuk adalah sebuah amina sekunder, yakni dietilamin. Termasuk amina sekunder karena ada dua gugus alkil yang terikat pada atom nitrogen.

Pembentukan amina tersier dari amina sekunder

Pengertian amina tersier

Sebuah amina tersier memiliki rumus umum R3N. Strukturnya mirip dengan molekul amonia dimana ketiga hidrogen telah digantikan oleh gugus-gugus alkil. Amina tersier masih memiliki sebuah pasangan elektron bebas aktif pada atom nitrogennya. Sehingga bisa menyerang bromoetana jika bertubrukan dengannya. Urutan dua tahapannya sama persis seperti sebelumnya:

Pada tahap pertama ini, bromin lagi-lagi dilepaskan sebagai sebuah ion bromida dan terbentuk garam yang disebut trietilamonium bromida. Sebuah molekul amonia selanjutnya bisa melepaskan hidrogen dari nitrogen melalui reaksi yang dapat balik (reversibel):

Produk organik dari reaksi ini adalah amina tersier, yaitu trietilamin. Disebut tersier karena ada tiga gugus alkil yang terikat pada nitrogen.

Tahap akhir – pembentukan garam amonium kuartener

Pengertian garam kuartener

Garam amonium kuartener adalah sebuah garam amonium (misalnya,NH4+ Br-)

dimana semua atom hidrogen telah digantikan oleh sebuah gugus alkil – misalnya, (CH3CH2)4N+ Br-. Amina tersier masih memiliki sepasag elektron bebas aktif pada atom nitrogen dan, sekali lagi, dapat menyerang atom karbon + dalam bromoetana.

Tapi kali ini tidak ada lagi jalan bagi reaksi. Tidak ada lagi atom hidrogen pada nitrogen sehingga sebuah molekul amonia bisa terlepas, dan reaksi akhirnya terhenti. Produknya adalah sebuah garam yang disebut tetraetilamonium bromida, (CH3CH2)4N+ Br-.

Mereaksikan bromoetana dengan amonia, produk yang akan peroleh

Selalunya diperoleh sebuah campuran antara semua produk di atas selama anda tidak menggunakan bromoetana yang berlebih sehingga terdapat cukup banyak bromoetana untuk melakukan rentetan semua reaksi sampai terbentuk garam amonium kuartener. Dapat didorong pembentukan amina primer (atau garamnya) dengan menggunakan amonia yang berlebih. Karena dengan cara ini terdapat peluang yang lebih besar bagi sebuah molekul bromoetana untuk ditubruk oleh sebuah molekul amonia ketimbang nukleofil lain yang

mungkin. Meski demikian, akan selalu ada, secara kebetulan, beberapa tubrukan yang menyebabkan terbentuknya produk selain amina primer.

Reaksi Substitusi Nukleofilik Antara Halogenalkana dan Amonia

Reaksi antara halogenalkana primer dengan amonia – mekanisme SN2

Amonia sebagai sebuah nukleofil

Nukleofil adalah sebuah spesies (ion atau molekul) yang tertarik kuat ke sebuah daerah yang bermuatan positif pada sesuatu yang lain. Nukleofil bisa berupa ion negatif penuh, atau lainnya yang memiliki muatan - kuat di suatu tempat pada sebuah molekul.

Amonia jelas tidak membawa muatan negatif. Akan tetapi, nitrogen dalam amonia lebih elektronegatif dibanding hidrogen, sehingga atom nitrogen memiliki muatan negatif. Nitrogen juga memiliki sepasang elektron bebas aktif. Serangan terhadap atom karbon + dalam halogenalkana dilakukan oleh pasangan elektron bebas ini yang ada pada atom nitrogen.

Reaksi substitusi nukleofilik – reaksi SN2

Akan dibahas reaksi ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana primer, yaitu bromoetana sebagai halogenalkana primer sederhana. Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara atom karbon dan bromin. Pasangan elektron bebas pada nitrogen akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan bergerak ke arahnya, mulai membentuk sebuah ikatan dengannya. Pasangan elektron bebas yang mendekat akan mendorong elektron-elektron dalam ikatan karbon-bromin semakin dekat ke bromin. Pergerakan pasangan elektron bebas ini terus berlanjut sampai air terikat kuat ke atom karbon, dan bromin telah dilepaskan sebagai ion Br-.

Perhatikan bahwa nitrogen dalam ion produk membawa sebuah muatan positif (ditunjukkan dengan warna merah). Muatan ini harus ada karena dua alasan:

Pada sebelah kiri persamaan reaksi, kita memulai dengan dua molekul yang netral. Jika kita meniadakan muatan positif tersebut, maka akan diperoleh sebuah spesies netral dan sebuah ion negatif pada sebelah kanan reaksi. Sedangkan muatan harus seimbang dalam persamaan reaksi, olehnya itu ada sesuatu yang salah.

Nitrogen terlihat ganjil karena terikat pada 4 spesies yang seharusnya 3 spesies. Nitrogen hanya bisa terikat dengan 4 spesies lain jika dia membawa sebuah muatan positif.

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2. S adalah singkatan dari substitusi, N singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari reaksi ini melibatkan dua spesies – yaitu bromoetana dan amonia. Dalam beberapa silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik.

Produk reaksi ini adalah sebuah garam yang disebut etilamonium bromida. Etilamonium bromida adalah sebuah garam dari amina primer dan asam, HBr. Amona primer memiliki rumus molekul R-NH2. Dalam hal ini disebut primer karena hanya satu gugus alkil yang terikat pada atom nitrogen. Amina-amina primer adalah basa-basa lemah yang sangat mirip dengan amonia sehingga dapat membentuk garam dengan asam. Sebagai contoh, amonia bereaksi dengan HBr menghasilkan amonium bromida, NH4

+ Br-. Garam pada persamaan di atas merupakan garam yang terbentuk dari etilamin, CH3CH2NH2, dan HBr. Jika diinginkan tahapan kedua, sekarang sebuah molekul amonia melepaskan satu ion hidrogen dari nitrogen.

Produk organiknya adalah etilamin, CH3CH2NH2. Perlu diperhatikan bahwa perubahan ini dapat balik (reversibel). Tanda panah untuk menujukkan perubahan terbalik belum ditunjukkan pada gambar di atas untuk menghindari kerancuan, tetapi anda bisa menggambarkan pasangan elektron bebas dengan mudah pada nitrogen dengan memperoleh kembali hidrogennya dari ion NH4

+. Yang akan dihasilkan adalah sebuah campuran antara keempat spesies pada persamaan terakhir ini – tentunya bersama dengan ion-ion bromida yang terbentuk pada tahap pertama. Semakin tinggi jumlah amonia dalam campuran awal reaksi, semakin besar peluang terbentuknya etilamin bebas.

Reaksi antara halogenalkana tersier dengan amonia – mekanisme SN1

Akan dibahas mekanisme ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana tersier sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar di samping (2-bromo-2-metilpropana).

Halogenalkana tersier memerlukan mekanisme yang berbeda

Ketika sebuah nukleofil menyerang sebuah halogenalkana primer, nukleofil ini mendekati atom karbon + dari sisi yang jauh dari atom halogen. Nukleofil ini tidak mendekati atom karbon dari sisi yang dekat dengan atom halogen karena halogen berukuran

besar dan sedikit bermuatan negatif. Muatan pada halogen ini menolak nukleofil yang mendekat.

Jika nukleofil menyerang sebuah halogen tersier, masuknya nukleofil lewat belakang molekul tidak akan mungkin karena belakang molekul telah terisi oleh gugus-gugus CH3 – itulah sebabnya halogenalkana tersier memerlukan mekanisme yang berbeda.

Mekanisme SN1

Pada tahap pertama, beberapa halogenalkana terionisasi menghasilkan sebuah ion karbonium dan sebuah ion bromida.

Reaksi ini mungkin karena ion karbonium tersier relatif stabil dibandingkan dengan yang sekunder atau primer. Bahkan demikian, reaksi tetap lambat. Akan tetapi, ketika ion karbonium terbentuk, dia akan bereaksi segera ketika bersentuhan dengan molekul amonia. Pasangan elektron bebas pada nitrogen tertarik kuat ke arah atom karbon positif, dan bergerak kerahnya untuk membentuk sebuah ikatan baru.

Kecepatan reaksi akan ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Karena tahapan awal yang lambat ini hanya melibatkan satu spesies, maka mekanisme ini disebut sebagai SN1 – substitusi, nukleofilik, dan satu spesies yang terlibat dalam tahap awal yang lambat. Sebuah garam terbentuk. Salah astu hidrogen yang terikat pada nitrogen perlu dilepaskan oleh molekul amonia yang lain.

Reaksi Substitusi Nukleofilik Antara Halogenalkana dan Ion Sianida

Reaksi antara halogenalkana primer atau sekunder dengan ion-ion sianida – mekanisme SN2

Ion sianida sebagai nukleofil


Untuk ion sianida, terdapat muatan negatif penuh pada karbon, serta sepasang elektron bebas.


Akan dibahas reaksi ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana primer, yaitu bromoetana sebagai halogenalkana primer sederhana. Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara atom karbon dan bromin.

Pasangan elektron bebas pada ion sianida akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan bergerak kearahnya, mulai membentuk sebuah ikatan dengannya. Ion negatif yang mendekat akan mendorong elektron-elektron dalam ikatan karbon-bromin semakin dekat ke bromin.

Pada beberapa titik selama proses ini, gugus -CN dan bromin keduanya akan terikat setegah ke atom karbon. Ini disebut keadaan transisi untuk reaksi. Ini bukan intermediet dan kita tidak bisa mengamatinya secara terpisah serta tidak memiliki eksistensi yang independen. Ini hanya merupakan tahap setengah-jalan dari perpindahan atom dan elektron yang cukup samar. Pergerakan pasangan elektron bebas ini terus berlanjut sampai gugus -CN terikat kuat ke atom karbon, dan bromin telah dilepaskan sebagai ion Br-.

Berhati-hatilah saat menggambarkan keadaan transisi ini untuk memperjelas perbedaan antara garis putus-putus yang menunjukkan ikatan setengah-jadi dan setengah-

putus, dengan yang menunjukkan ikatan-ikatan yang sebenarnya. Perhatikan bahwa molekul telah dibalik selama reaksi terjadi – agak mirip dengan payung yang terbuka ke atas.

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2. S adalah singkatan dari substitusi, N singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari reaksi ini melibatkan dua spesies – yaitu bromoetana dan ion CN-. Dalam beberapa silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik.

Reaksi SN2 pada halogenalkana sekunder

Reaksi bisa terjadi dengan cara yang sama persis dengan sebuah halogenalkana primer, walaupun ada kemungkinan untuk berlangsungnya reaksi melalui sebuah mekanisme yang berbeda (seperti akan dibahas secara ringkas berikut ini).

Pasangan elektron bebas pada ion sianida yang mendekati atom karbon membentuk sebuah ikatan dengan dengan atom karbon + dan, dalam proses tersebut, elektron-elektron dalam ikatan karbon-bromin dipaksa bergeser ke atom bromin membentuk sebuah ion bromida.

Reaksi antara halogenalkana sekunder atau tersier dengan ion sianida – mekanisme SN1

Untuk mekanisme reaksi ini kita akan mengambil contoh halogenalkana tersier sederhana seperti yang ada pada gambar di samping (2-bromo-2-metilpropana).


Ketika sebuah nukleofil menyerang sebuah halogenalkana primer, nukleofil ini mendekati atom karbon + dari sisi yang jauh dari atom halogen. Nukleofil ini tidak mendekati atom karbon dari sisi yang dekat dengan atom halogen karena halogen berukuran besar dan sedikit bermuatan negatif. Muatan pada halogen ini menolak nukleofil yang mendekat. Jika nukleofil menyerang sebuah halogen tersier, masuknya nukleofil lewat belakang molekul tidak akan mungkin karena belakang molekul telah terisi oleh gugus-gugus CH3 – itulah sebabnya halogenalkana tersier memerlukan mekanisme yang berbeda.

Mekanisme SN1

Reaksi terjadi dalam dua tahapan. Pada tahap pertama, beberapa halogenalkana terionisasi menghasilkan sebuah ion karbonium dan sebuah ion bromida.

Reaksi ini mungkin karena ion karbonium tersier relatif stabil dibandingkan dengan yang sekunder atau primer. Bahkan demikian, reaksi tetap lambat. Akan tetapi, ketika ion karbonium terbentuk, dia akan bereaksi segera ketika bersentuhan dengan ion CN-. Pasangan elektron bebas pada nukleofil tertarik kuat ke arah karbon positif, dan bergerak kearahnya untuk membentuk sebuah ikatan baru.

Kecepatan reaksi akan ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Karena tahapan awal yang lambat ini hanya melibatkan satu spesies, maka mekanisme ini disebut sebagai SN1 – substitusi, nukleofilik, satu spesies yang terlibat dalam tahap awal yang lambat.

Mekanisme SN1 pada halogenalkana sekunder

Halogenalkana sekunder (seperti 2-bromopropana) bisa menggunakan baik mekanisme SN1 maupun mekanisme SN2. Belakang molekul pada sebuah halogenalkana sekunder sedikit lebih padat dibanding pada halogenalkana primer, tetapi masih ada ruang untuk pasangan elektron bebas pada nukleofil yang mendekat dan membentuk sebuah ikatan. Sebelumnya kita telah membahas reaksi ini.

Halogenalkana sekunder juga bisa mengalami sedikit ionisasi untuk bisa mengalami mekanisme SN1, tetapi reaksi ini jauh lebih sulit dibanding dengan halogenalkana tersier, karena ion karbonium sekunder yang terbentuk tidak sestabil ion karbonium tersier.

Ketika ion karbonium telah terbentuk, dia langsung bereaksi dengan ion sianida. Pasangan elektron pada ion sianida tertarik kuat ke karbon positif, bergerak ke kearahnya, dan membentuk sebuah ikatan.

Reaksi Substitusi Nukleofilik Antara Halogenalkana dengan Air

Reaksi antara halogenalkana primer dengan air – mekanisme SN2

Air sebagai sebuah nukleofil


Air jelas tidak membawa muatan negatif. Akan tetapi, oksigen dalam molekul air jauh lebih elektronegatif dibanding hidrogen, sehingga atom oksigen memiliki muatan - yang cukup besar untuk mem-backup kedua pasangan elektron bebasnya. Dengan demikian, serangan terhadap halogenalkana dilakukan oleh salah satu dari pasangan elektron bebas pada oksigen tersebut. Karena tidak ada sebuah muatan negatif penuh, air tidak bisa menjadi nukleofil yang sama baiknya dengan sebuah ion negatif seperti OH-, dan karenanya reaksi berlangsung lebih lambat.


Akan dibahas reaksi ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana primer, yaitu bromoetana sebagai halogenalkana primer sederhana. Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara atom karbon dan bromin.

Salah satu pasangan elektron bebas pada air akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan bergerak kearahnya, mulai membentuk sebuah ikatan dengannya. Ion negatif yang mendekat akan mendorong elektron-elektron dalam ikatan karbon-bromin semakin dekat ke bromin. Pergerakan pasangan elektron bebas ini terus berlanjut sampai air terikat kuat ke atom karbon, dan bromin telah dilepaskan sebagai ion Br-. Perhatikan bahwa oksigen dalam ion produk membawa sebuah muatan positif (ditunjukkan dengan warna merah). Muatan ini harus ada karena dua alasan:

Pada sebelah kiri persamaan reaksi, kita memulai dengan dua molekul yang netral. Jika kita meniadakan muatan positif tersebut, maka akan diperoleh sebuah spesies

netral dan sebuah ion negatif pada sebelah kanan reaksi. Sedangkan muatan harus seimbang dalam persamaan reaksi, olehnya itu ada sesuatu yang salah.

Oksigen terlihat ganjil karena terikat pada 3 spesies yang seharusnya 2 spesies. Oksigen hanya bisa terikat dengan 3 spesies lain jika dia membawa sebuah muatan positif.

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2. S adalah singkatan dari substitusi, N singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari reaksi ini melibatkan dua spesies – yaitu bromoetana dan ion hidroksida. Dalam beberapa silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik.

Terakhir, sebuah ion hidrogen diambil dari ion produk oleh molekul air yang lain dari larutan. Sebuah pasangan elektron tunggal pada molekul air yang baru membentuk sebuah ikatan dengan atom hidrogen, sehingga memaksa pasangan elektron ikatan kembali ke atom oksigen positif. Ini menghilangkan muatan positif yang ada pada oksigen.

Produk organik yang terbentuk adalah etanol. Rumus strukturnya dimodifikasi pada gambar di atas sehingga anda bisa melihat dengan jelas hubungan antara atom-atom pada kedua sisi persamaan reaksi. Produk lain yang juga terbentuk adalah ion hidroksonium (yang juga dikenal sebagai ion hidronium atau ion oksonium). Ini tidak lain sebuah ion hidrogen yang terikat pada sebuah molekul air – seringkali dituliskan sebagai H+

(aq).

Reaksi antara halogenalkana tersier dengan air – mekanisme SN1

Akan dibahas mekanisme ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana tersier sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar di samping (2-bromo-2-metilpropana).


Ketika sebuah nukleofil menyerang sebuah halogenalkana primer, nukleofil ini mendekati atom karbon + dari sisi yang jauh dari atom halogen. Nukleofil ini tidak mendekati atom karbon dari sisi yang dekat dengan atom halogen karena halogen berukuran besar dan sedikit bermuatan negatif. Muatan pada halogen ini menolak nukleofil yang mendekat. Jika nukleofil menyerang sebuah halogen tersier, masuknya nukleofil lewat belakang molekul tidak akan mungkin karena belakang molekul telah terisi oleh gugus-gugus CH3 – itulah sebabnya halogenalkana tersier memerlukan mekanisme yang berbeda.

Mekanisme SN1

Pada tahap pertama, beberapa halogenalkana terionisasi menghasilkan sebuah ion karbonium dan sebuah ion bromida.

Reaksi ini mungkin karena ion karbonium tersier relatif stabil dibandingkan dengan yang sekunder atau primer. Bahkan demikian, reaksi tetap lambat. Akan tetapi, ketika ion karbonium terbentuk, dia akan bereaksi segera ketika bersentuhan dengan molekul air. Salah satu pasangan elektron bebas pada air tertarik kuat ke arah atom karbon positif, dan bergerak kerahnya untuk membentuk sebuah ikatan baru.

Kecepatan reaksi akan ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Karena tahapan awal yang lambat ini hanya melibatkan satu spesies, maka mekanisme ini disebut sebagai SN1 – substitusi, nukleofilik, dan satu spesies yang terlibat dalam tahap awal yang lambat. Air turut ambil bagian pada tehapan cepat dari reaksi, dan karena air adalah sebuah nukleofil lemah maka tidak berpengaruh signifikan untuk memperlambat reaksi secara keseluruhan. Laju reaksi ditentukan oleh ionisasi halogenalkana yang lambat.

Seperti halnya dengan halogenalkana primer, terdapat sebuah tahapan akhir pada reaksi ini dimana sebuah ion hidrogen ditransfer dari ion organik ke sebuah molekul air dalam larutan. Apa yag terjadi persis sama seperti yang terjadi pada halogenalkana primer yang dijelaskan di atas.

Substitusi nukleofilik pada halogenalkana primer

Hal ini perlu diketahui dalam pembahasan tentang “halogenalkana primer” atau reaksi SN2.

Nukleofil

Nukleofil adalah sebuah spesies (ion atau molekul) yang tertarik dengan kuat ke sebuah daerah yang bermuatan positif pada sesuatu yang lain. Nukleofil bisa berupa ion-ion negatif penuh, atau memiliki muatan yang sangat negatif pada suatu tempat dalam sebuah molekul. Nukleofil-nukleofil yang umum antara lain ion hidroksida, ion sianida, air dan amonia.

Perhatikan bahwa masing-masing nukleofil pada gambar di atas mengandung sekurang-kurangnya satu pasangan elektron bebas, baik pada sebuah atom yang bermuatan negatif penuh, atau pada sebuah atom yang sangat elektronegatif yang membawa muatan - yang cukup besar.

Reaksi substitusi nukleofilik – sebuah reaksi SN2

Akan dibahas mekanisme reaksi ini dengan menggunakan sebuah ion sebagai nukleofil, karena akan lebih mudah. Mekanisme untuk nukleofil air dan amonia melibatkan tahapan ekstra yang akan dijelaskan pada halaman yang lain.

Diambil contoh bromoetana sebagai sebuah halogenalkana primer sederhana. Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara karbon dan bromin. Akan terlihat reaksinya dengan menggunakan ion nukleofil yang umum, yang dalam hal ini kita sebut sebagai Nu-. Nukleofil ini akan memiliki sekurang-kurangnya satu pasangan elektron bebas. Nu- misalnya bisa berupa OH- atau CN-.

Pasangan elektron bebas pada ion Nu- akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan bergerak ke arahnya, dan mulai membentuk sebuah ikatan koordinasi (kovalen datif). Dalam

proses ini, elektron dalam ikatan C-Br akan terdorong lebih dekat ke arah bromin, sehingga membuatnya semakin negatif. Pergerakan elektron bebas ini ke arah atom karbon akan terus berlangsung sampai -Nu terikat kuat dengan atom karbon, dan bromin telah dilepaskan sebagai sebuah ion Br-.

Hal-hal yang perlu diperhatikan

Ion Nu- mendekati atom karbon + dari sisi yang jauh dari atom bromin. Atom bromin yang besar menghalangi serangan dari sisi yang berdekatan dengannya dan, karena bermuatan -, akan menolak Nu- yang mendekat. Jika dicermati, maka harus ada sebuah titik dimana Nu- terikat setengah ke atom karbon, dan ikatan C-Br terputus setengahnya. Ini disebut sebagai keadaan transisi. Keadaan ini bukan sebuah intermediet dan tidak bisa diamati terpisah meski hanya sesaat. Keadaan ini hanyalah titik-tengah dari sebuah serangan oleh satu gugus dan terlepasya gugus yang lain.

Cara menuliskan mekanisme reaksi

Cara yang paling sederhana adalah sebagai berikut:

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2. S adalah singkatan dari substitusi, N singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari reaksi ini melibatkan dua spesies – yaitu bromoetana dan ion Nu-. Dalam beberapa silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik.

Substitusi nukleofilik pada halogenalkana tersier

Perlu diingat bahwa sebuah halogenalkana tersier memiliki tiga gugus alkil yang terikat pada atom karbon yang memiliki halogen. Gugus-gugus alkil ini bisa sama atau berbeda, tapi disini kita hanya akan membahas yang sederhana, yaitu gugus (CH3)3CBr (2-bromo-2-methylpropane).

Reaksi substitusi nukleofilik – sebuah reaksi SN1

Mekanisme ini dengan menggunakan sebuah ion sebagai nukleofil, karena lebih mudah, dan lagi-lagi kita akan melihat reaksi ion nukleofilik yang kita sebut sebagai Nu-. Ion nukleofil ini akan memiliki sekurang-kurangnya satu pasangan elektron bebas.

Sebuah mekanisme berbeda diperlukan

Pada halogenalkana tersier, hal ini tidak mungkin. Belakang molekul telah terisi oleh gugus-gugus CH3.

Karena serangan nukleofil dari arah lain tidak bisa terjadi akibat adanya atom bromin, maka reaksi harus berlangsung dengan sebuah mekanisme alternatif.

Mekanisme alternatif

Reaksi terjadi dalam dua tahapan. Pada tahap pertama, beberapa halogenalkana terionisasi menghasilkan sebuah ion karbonium dan sebuah ion bromida.

Reaksi ini mungkin karena karbonium tersier relatif stabil dibandingkan dengan yang sekunder atau primer. Bahkan demikian, reaksi tetap lambat. Akan tetapi, ketika karbonium terbentuk, dia akan bereaksi segera ketika bersentuhan dengan sebuah nukleofil seperti Nu-. Pasangan elektron bebas pada nukleofil tertarik kuat ke arah karbon positif, dan bergerak kearahnya untuk membentuk sebuah ikatan baru.

Kecepatan reaksi akan ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Karena tahapan awal yang lambat ini hanya melibatkan satu spesies, maka mekanisme ini disebut sebagai SN1 – substitusi, nukleofilik, satu spesies yang terlibat dalam tahap awal yang lambat.

Halogenalkana primer tidak menggunakan mekanisme SN1

Jika sebuah halogenalkana primer menggunakan mekanisme ini, maka tahap pertama akan menjadi, misalnya:

Sebuah karbonium primer akan terbentuk, dan karbonium primer ini jauh lebih tidak stabil dari segi energi dibanding karbonium tersier yang terbentuk dari halogenalkana tersier – dan dengan demikian jauh lebih sulit dihasilkan. Ketidakstabilan ini berarti bahwa dibutuhkan energi aktivasi yang sangat tinggi untuk reaksi yang melibatkan sebuah halogenalkana primer. Energi aktivasi jauh lebih kecil jika mengalami reaksi SN2 – olehnya itu reaksi inilah yang terjadi.

Substitusi nukleofilik pada halogenalkana sekunder

Tidak ada mekanisme baru pada jenis halogenalkana ini. Halogenalkana sekunder akan menggunakan kedua mekanisme – beberapa molekul akan bereaksi menggunakan mekanisme SN2 dan yang lainnya menggunakan SN1. Mekanisme SN2 mungkin karena belakang molekul tidak semuanya ditempati gugus alkil sehingga nukleofil yang mendekat masih bisa terikat pada atom karbon +. Mekanisme SN1 mungkin karena karbonium sekunder yang terbentuk pada tahap lambat lebih stabil dibanding karbonium primer. Ion karbonium ini tidak sama stabilnya dengan karbonium tersier, sehingga rute SN1 tidak sama efektifnya dengan yang terjadi pada halogenalkana tersier.

Documents

Reaksi Elektrofilik Dan Reaksi Nukleofilik