GUGUS PERGI DAN PENGARUH GUGUS TETANGGA

Artikel II

Reaksi substitusi nukleofilik adalah reaksi yang terjadi antara alkil halida dengan suatu nukloefil yang menyerang atom karbon pengikat gugus halogen. Reaksi ini menyebabkan gugus halogen terlepas dari alkil, kemudian aklil akan berikatan dengan nukleofil. Gugus halogen yang terlepas di sebut gugus pergi.

Gugus pergi adalah suatu basa yang lemah jika di bandingkan dengan nukleofil. Sedangkan nukleofil harus memiliki pasangan elektron bebas yg akan digunakan untuk berikatan dengan karbon menggantikan gugus pergi.  Gugus pergi adalah substituen yang terlepas dari substrat, yang berarti atom atau gugus apa saja yang di geser dari ikatannya dengan atom karbon. Substrat ini bermuatan netral atau positif. Sedangkan nukleofil bermuatan netral atau negatif.

Reaksi substitusi nukleofilik dapat dituliskan dalam 4 macam, persamaan reaksi yaitu :

Nu:^-     +  R-L              → Nu –R   + L:^-

Nu:^-     +  R-L              → Nu⁺ - R  + L:^- 

Nu:^-     +   R-L⁺  → NU – R  +  L:

Nu:^-      +   R – L⁺   →  Nu⁺- R  + L:

Keterangan :

Nu : atau Nu:^- adalah nukleofil

L : atau L:^- adalah gugus pergi

Ion atau molekul yang merupakan basa yang sangat lemah. Seperti I-, Cr-, dan Br- merupakan gugus pergi yang baik. Karena mudah di lepaskan ikatannya dari atom C substrat. Sedangkan nukleofil yang baik adalah nukleofil yang bersifat basa kuat. 

partisipasi gugus tetangga didefinisikan sebagai gugus yang memberikan suatu reaksi intermediate yang baru pada pusat reaksi. Untuk reaksi substitusi seperti dibawah, X sebagai gugus tetangga berperan dalam penyerangan nukleofilik intramolekul sehingga melepaskan Y sebagai gugus pergi, yang kemudian diikuti oleh substitusi intermolekul.

Hasil dari partisipasi ini ialah pembentukan produk substitusi dengan konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi yang seharusnya terjadi pada SN2, dimana reaksi SN2 pada umumnya membentuk konfigurasi yang berlawanan dengan substrat. Dengan adanya partisipasi gugus tetangga, konfigurasi produk sama dengan substrat.

Atom yang berpartisipasi gugus tetangga :

1.      Ikatan C-C yang ada dalam gugus

2.      Atom oksigen yang ada dalam suatu gugus

3.      Atom nitrogen yang ada dalam suatu gugus

4.      Gugus aril

5.      Halogen

Pengukuran kinetika mungkin jalan terbaik untuk menilai efek dari pastisipasi gugustetangga. Dengan mengukur kinetika ini dapat mengetahui kecepatan reaksi suatu senyawa jika di pengaruhi oleh adanya partisipasi gugus tetangga atau tidak. Hal ini dapat diketahui dengan membandingkan kecepatan sulvolisis turunan benzena  yang di berikan gugus pergi pada posisi orto atau para yang akan menyerah pusat reaksi. Bisa di contohkan pada kasus hidrolisis carbophenoxy benzhydryl bromide pada posisi orto dan para.

Kecepatan reaksi senyawa, saat di reaksikan dengan aseton yang berbagai variasi temperatur. Memberikan hasil bahwa pada posisi orto senyawa tersebut 90 kali lebih reaktif dari pada senyawa dengan gugus tetangga yang melekat pada posisi para. Kereaktifangugus tetangga pada posisi orto tidak dapat di jelaskan dengan efek induksi atau efek sterik yang bekerja berlawanan sehingga efek sterik dan induksi dapat mempengaruhi kecepatan reaksi karena jarak carbophenoxy berdekatan dengan pusat reaksi. Kecepatan laju reaksi dapat di jelaskan oleh partisipasi gugus karbophenoxy yang bereaksi secara intermolekul untuk menstabilkan pusat reaksi.  Gugus tetangga dapat menggunakan pasangan elektronnya untuk berinteraksi dengan sisi belakang atom karbon yang menjalani substitusi, sehingga mencegah serangan dari nukleofilik, sehingga nukleofilik hanya dapat bereaksi dengan atom karbon dari sisi depan, dan produknya mengikuti konfigurasi awal. Atom atau gugus yang dapat meningkatkan laju SN₂ melalui partisipasi gugus tetangga ialah nitrogen dalam bentuk amina, oksigen dalam bentuk karboksilat dan ion alkoksida, dan cincin aromatik. Partisipasi hanya efektif jika interaksinya membentuk cincin segitiga, lima dan enam.

Pertanyaan :

 
1. Mengapa pada gugus tetangga disebut dengan “anchimeric assistance”?

2. Mengapa pada reaksi masuknya gugus tetangga sebelum mencapai produk terbentuk reaksi intermediet?

3. mengapa alkil anion dan hidrida tidak dapat lepas dengan sepasang elektron?

Gugus Pergi dan Pengaruh Gugus Tetangga

Di dalam kebanyakan reaksi senyawa organik ada satu atau lebih ikatan kovalen yang putus. Jika suatu ikatan putus dalam mana kedua elektron kovalennya tetap pada satu bagian pecahan maka mekanisme disebut heterosiklik. Meskipun biasanya melibatkan ion sebagai spesies-antara tetapi hal itu tidak bukan keharusan. Hal yang penting adalah elektron tidak pernah tidak berpasangan. Bagi kebanyakan reaksi, adalah tepat sekali untuk menyebut satu reaktan sebagai pereaksi penyerang dan yang lain disebut substrat. Substrat adalah molekul yang menyuplai karbon ke ikatan baru. Jika ikatan karbon-karbon terbentuk maka perlu untuk memilih secara acak molekul mana sebagai substrat dan molekul mana sebagai pereaksi penyerang. Di dalam reaksi heterosiklik, umumnya pereaksi yang membawa pasangan elektron ke substrat atau mengambil elektron dari substrat. Pereaksi yang membawa pasangan elektron disebut nukleofil dan reaksinya disebut nukleofilik. Pereaksi yang mengambil pasangan elektron disebutelektrofil dan reaksinya disebut elektrofilik. Di dalam suatu reaksi di mana substrat terbelah, bagian yang tidak mengandung karbon biasa disebut gugus pergi (leaving group).

1.      Gugus Pergi

Gugus pergi adalah gugus apa saja yang mudah diputus dari ikatannya dengan suatu atom karbon. Gugus-pergi yang membawa pergi elektron disebut nukleofugal, dan gugus-pergi yang tanpa membawa elektron disebutelektrofugal.

Sifat gugus pergi:

·       Gugus pergi yang baik adalah anion stabil (basa konjugat) dan turunan dari asam kuat. Gugus pergi yang baik biasanya adalah basa lemah.

Contoh:

-    Ion halida, Yaitu I^-, Cl^-, Br^-.

-    Turunan asam organic kuat dan terstabilkan oleh resonansi.

Triflate tosylate mesilat

·       gugus pergi yang buruk adalah gugus –OH pada alcohol sehingga tidak bias digantikan oleh Nukleofil sehingga harus diubah menjadi gugus lain seperti:

Kemungkinan suatu gugus digantikan oleh gugus lain tergantung pada kebasaan relatif dari kedua gugus. Semakin lemah kebasaan suatu gugus, kemampuan untuk pergi lebih baik. Basa lemah adalah yang baik karena basa lemah tidak bisa berbagi elektron mereka seperti yang dilakukan oleh basa kuat. Nilai pKa asam konjugasi dari gugus pergi berbagai  senyawa  karbonil tercantum pada Tabel berikut. Perhatikan bahwa kelompok asil Kelas I senyawa karbonilmelekat pada basa lemah dibanding kelompok asil senyawa karbonil Kelas II. Semakin rendah nilai pKa, berarti semakin asam dan makin lemah basa konjugasinya.

Tabel 1. Nilai pKa asam konjugat dari gugus pergi senyawa karbonil

Kita akan melihat bahwa senyawa mengalami reaksi substitusi karena mereka memiliki gugus asil yangmelekat pada gugus yang dapat digantikan oleh nukleofil. Aldehida dan keton memiliki gugus asil yang melekat pada gugus yang tidak dapat digantikan oleh nukleofil, maka senyawa ini tidak mengalami reaksi substitusi, melainkan reaksi adisi nukleofilik.

2.      Gugus Tetangga

Pada reaksi substitusi nukleofilik, partisipasi gugus tetangga didefinisikan sebagai gugus yang memberikan suatu reaksi intermediate yang baru pada pusat reaksi. Untuk reaksi substitusi seperti dibawah, X sebagai gugus tetangga berperan dalam penyerangan nukleofilik intramolekul sehingga melepaskan Y sebagai gugus pergi, yang kemudian diikuti oleh substitusi intermolekul.

Hasil dari partisipasi ini ialah pembentukan produk substitusi dengan konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi yang seharusnya terjadi pada S_N2, dimana reaksi S_N2 pada umumnya membentuk konfigurasi yang berlawanan dengan substrat. Dengan adanya partisipasi gugus tetangga, konfigurasi produk sama dengan substrat.

Partisipasi gugus tetangga ini juga dapat mempengaruhi kecepatan reaksi. Jika suatu gugus tetangga mempengaruhi reaksi melalui suatu jalan yang menyebabkan peningkatan kecepatan reaksi, maka gugus tetangga tersebut dikatakan sebagai “anchimeric assistance”. Peningkatan kecepatan reaksi dengan adanya partisipasi gugus tetangga diketahui dengan membandingkan laju reaksi suatu senyawa yang memiliki gugus tetangga dengan reaksi yang sama pada senyawa analog yang tidak memiliki gugus tetangga.

Gugus tetangga dapat menggunakan pasangan elektronnya untuk berinteraksi dengan sisi belakang atom karbon yang menjalani substitusi, sehingga mencegah serangan dari nukleofilik, sehingga nukleofilik hanya dapat bereaksi dengan atom karbon dari sisi depan, dan produknya mengikuti konfigurasi awal. 

Atom atau gugus yang dapat meningkatkan laju S_N2 melalui partisipasi gugus tetangga ialah nitrogen dalam bentuk amina, oksigen dalam bentuk karboksilat dan ion alkoksida, dan cincin aromatik. Partisipasi hanya efektif jika interaksinya membentuk cincin segitiga, lima dan enam.

Pengaruh Oksigen Sebagai Gugus Tetangga

Contoh pengaruh oksigen ialah pada substitusi basa dari 1,2-klorohidrin menghasilkan 1,2-diol dengan konfigurasi yang tidak berubah.

Serangan awal dilakukan oleh basa pada pembentukan anion alkoksida, dilanjutkan dengan serangan internal oleh RO- dan menghasilkan epoksida dengan inversi konfigurasi pada C*. Atom karbon ini selanjutnya menjalani reaksi S_N2 oleh serangan OH^-, dengan inversi konfigurasi yang kedua pada C*. Anion alkoksida yang kedua ini mengabstraksi proton dari pelarut untuk membentuk produk 1,2-diol dengan konfigurasi yang sama dengan substrat. 

Contoh lain dari partisipasi oksigen sebagai gugus tetangga ialah pada hidrolisis anion 2-bromopropanoat dengan konsentrasi OH- yang rendah, juga diperoleh hasil dengan konfigurasi yang tidak berubah. Kecepatan reaksi tidak bergantung dari konsentrasi OH-, dan mekanismenya ialah :

Partisipasi Nitrogen Sebagai Gugus Tetangga

Partisipasi nitrogen sebagai gugus tetangga dapat terjadi dalam bentuk aminanya, seperti reaksi substitusi senyawa amina di bawah ini:

Kinetika reaksi diatas merupakan reaksi orde satu. Kecepatan reaksi tergantung hanya pada konsentrasi substrat tapi tidak pada nukleofiliknya. Hal ini mengherankan, dimana substitusi nukleofilik atom karbon primer SN2 kecepatan reaksinya tergantung pada konsentrasi substrat dan nukleofilik. Tetapi dengan adanya partisipasi gugus tetangga mengakibatkan kecepatan reaksinya hanya bergantung kepada konsentrasi substratnya saja.

Pengaruh Gugus Orto Intramolekul

Dengan adanya dua substituent pada benzene dengan posisi orto, dimana substituent pertama mengandung gugus pergi, dan substituen kedua mengandung gugus yang berpartisipasi sebagai gugus tetangga, maka dapat terbentuk senyawa intermediate melalui partisipasi gugus orto intramolekul.

Pertanyaan:

1. Mengapa basa lemah merupakan gugus pergi yang baik dan basa kuat merupakan gugus pergi yang buruk?

2. Bagaimana kehadiran gugus tetangga memberikan pengaruh terhadap reaksi substitusi nukleofilik?

3. apasaja yang dapat mempengaruhi pada partisipasi gugus tetangga?

Ikatan C-C , Penyerangan Elektrofil dan Nukleofil

Karbon adalah salah satu dari beberapa elemen yang dapat membentuk rantai panjang atom sendiri, yang disebut katenasi. Hal ini ditambah dengan kekuatan ikatan karbon-karbon menimbulkan sejumlah besar bentuk molekul, banyak yang merupakan elemen struktural penting dari kehidupan, sehingga senyawa karbon memiliki bidang mereka sendiri studi: kimia organik.

Ikatan karbon-karbon adalah ikatan kovalen antara dua atom karbon. Bentuk yang paling umum adalah ikatan tunggal: ikatan yang tersusun atas dua elektron, satu dari masing-masing dua atom. Ikatan tunggal karbon-karbon adalah ikatan sigma dan dikatakan terbentuk dari satu orbital hibrid dari masing-masing atom karbon. Dalam etana, orbital sp³ adalah orbital hibrid, tetapi ikatan tunggal terbentuk antara atom karbon dengan hibridisasi lain memang terjadi (misalnya sp² ke sp²). Bahkan, atom karbon dalam ikatan tunggal tidak perlu dari hibridisasi yang sama. Adapun panjang ikatan tunggal C–C adalah 0,154 nm.

Dalam berikatan sesama atom karbon terdapat tiga kemukinan, pertama membentuk ikatan tunggal, ikatan rangkap dua dan ikatan rangkap tiga. Untuk penyederhanaan dapat kita ibaratkan ikatan tunggal terjadi dari orbital s dan disebut ikatan sigma pada orbital hibrid sp3 dan bentuk molekul tetrahedron dengan sudut 109,50. Senyawa dengan ikatan tunggal disebut dengan senyawa hidrokarbon jenuh. 

                      

Atom karbon memiliki massa 12 dengan nomor atom 12. Konfigurasi elektronnya adalah 1s², 2s², 3p², dan mengalami hibridisasi dimana 1 elektron dari orbital 2s berpindah ke orbital 2pz, sehingga memiliki konfigurasi stabil 1s², 2s¹, 2p³, dengan membentuk orbital hybrid sp³. Sehingga atom karbon memiliki kesempatan untuk membentuk empat ikatan dengan atom lainnya, kestabilan struktur ini ditunjukan dengan sudut yang sama 109,50 dengan bentuk tetrahedral.

Atom karbon yang berbeda dapat diidentifikasi sehubungan dengan jumlah karbon tetangga:

1)                       atom karbon primer: satu atom karbon tetangga

2)                       atom karbon sekunder: dua atom karbon tetangga

3)                       tersier atom karbon: tiga atom karbon tetangga

4)                       kuartener atom karbon: empat atom karbon tetangga

Reaksi ikatan pembentukan karbon-karbon adalah reaksi organik di mana ikatan karbon-karbon baru terbentuk. Mereka penting dalam produksi bahan kimia buatan manusia seperti obat-obatan dan plastik.

Pembentukan Ikatan C-C

1 .     Melalui reaksi radikal bebas

 

Tidak terkendali, dapat melakukan reaksi berantai (tidak digunakan dalam sintesis).

2 .    Melalui reaksi antara C⁺ dengan C^-

Lebih terkendali (digunakan dalam sintesis).

Elektrofil (E⁺) – Nukleofil (Nu:^-)

1. Substitusi Elektrofil

Secara khas, reagen yang bereaksi dengan cincin aromatik benzena dan turunannya adalah elektrofil. Elektrofil adalah molekul yang miskin elektron sehingga sangat menyukai elektron. Reaksi substitusi elektrofil hanya terjadi pada Aren (ArH). Ar mewakili gugus aril (aromatik). Gugus elektrofilik dari reagen akan menggantikan salah satu atom hidrogen dari cincin aril:

Benzena memiliki rumus molekul C6H6, dari rumus molekul tersebut benzena termasuk golongan senyawa hidrokarbon tidak jenuh. Namun ternyata benzena mempunyai sifat kimia yang berbeda dengan senyawa hidrokarbon tidak jenuh. Beberapa perbedaan sifat benzena dengan senyawa hidrokarbon tidak jenuh adalah diantaranya bahwa benzena tidak mengalami

reaksi adisi melainkan mengalami reaksi substitusi. Pada umumnya reaksi yang terjadi terhadap molekul benzena adalah reaksi substitusi elektrofilik, hal ini disebabkan karena benzena merupakan molekul yang kaya electron.

            Ada 4 macam reaksi substitusi elektrofilik terhadap senyawa aromatik,yaitu :

2. Substitusi Nukleofil (SN)

Pada alkil halida (R-X) yang merupakan molekul polar dengan atom karbon yang miskin elektron (elektrofil), dapat terjadi reaksi dengan nukleofil yang kaya elektron (seperti basa (ion OH^-)) melalui reaksi substitusi halida oleh nukleofil (SN) ataupun eliminasi (E) menghasilkan alkena. Pada reaksi substitusi nukleofilik atom/ gugus yang diganti mempunyai elektronegativitas lebih besar dari atom C, dan atom/gugus pengganti adalah suatu nukleofil, baik nukleofil netral atau nukleofil yang bermuatan negatif.

Substitusi nukleofil (SN) terbagi menjadi SN₁ dan SN₂.

Reaksi SN₁ adalah reaksi substitusi nukleofilik unimolekul, yang terjadi melalui pembentukan tahapan intermediet berupa karbokation. Terjadi pada karbon tersier (3^o) yang memiliki halangan sterik. Contohnya pada reaksi 2-bromo-2-methylpropane dengan H₂O yang melewati 3 tahapan :

Substitusi Nukleofilik 1 (SN₁)

Tahap 1 :

Disosiasi spontan alkil bromida terjadi secara lambat untuk menghasilkan intermediet karbokation dan ion bromida.

Tahap 2 :

Intermediet karbokation bereaksi dengan H₂O (nukleofil) secara cepatuntuk menghasilkan alkohol terprotonasi sebagai produk.

Tahap 3 :

Alkohol terprotonasi (pada intermediet) kehilangan protonnya sehingga memberikan produk akhir alkohol netral.

Substitusi Nukleofilik 2 (SN₂)

Reaksi SN₂ adalah reaksi substitusi nukleofilik bimolekul serentak yang melibatkan karbon elektrofilik, leaving groups (gugus tinggal) dan nukleofil (gugus bermuatan negatif). Elektron dari nukleofil akan berinteraksi dengan atom karbon (C), dan pada saat yang bersamaan leaving groups akan mengambil elektron ikatan antara karbon dan leaving groups tersebut sehingga ikatannya terlepas dan akhirnya karbon berikatan dengan nukleofil tersebut. Contohnya pada reaksi berikut :

PhCH₂ adalah karbon elektrofilik. -OSO₂CF₃ merupakan leaving groups. Dan -CN^-bertindak sebagai nukleofil.

Reaksi SN₂ hanya terjadi pada karbon hibridisasi sp³ (berikatan tunggal). Reaktivitas relatif karbon pada reaksi SN₂ adalah CH₃ > 1^o > 2^o karena adanya pengaruh ruang (sterik).

Pertanyaan:

1. Mengapa ikatan C-C memiliki energy lebih besar dibandingkan dengan ikatan C=C atau ikatan C≡C?

2. pada alkena terjadi adisi sedangkan benzena terjadi substitusi atom H oleh elektrofil, mengapa bisa berbeda? Jelaskan!