View
141
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
KIMIA HETEROSIKLIK
SENYAWA HETEROSIKLIS :
Senyawa organik yang di dalam lingkar siklisnya terdapat atom-atom selain atom karbon.
Misalnya : atom N, O, S
Berdasarkan bentuk lingkar siklisnya senyawa heterosiklik digolongkan menjadi :
Senyawa Heterosiklis Lingkar Tiga
Senyawa Heterosiklis Lingkar Empat
Bahan Ajar Heterosiklik-1
• Jenuh :
O
OXIRANE TIIRANE
S N
HAZIRIDINE
• Tak Jenuh :
OXIRENE
O S
TIIRENE 1-AZIRINE
N
2-AZIRINEH
N
• Jenuh :
O
oxetane thietane
S
azetidine
NH
• Tak Jenuh :
N
1-azetine
S
thieteneoxetene
OH
N
2-azetine
Senyawa Heterosiklis Lingkar Lima
Senyawa Heterosiklis Lingkar Enam
Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai 2 atom lain selain atom karbon dalam
lingkar siklisnya.
Bahan Ajar Heterosiklik-2
• Jenuh :
Stetrahidrotiofen
O
Pirolidine
tetra hidrofuranH
N
• Tak Jenuh :
N
HPirol
Furan
O
Tiofen
S S2-hidrotiofen
3-tiolen
O2-hidrofuran
3-furolene3-pirroline
H
N N2-hidropirol
• Jenuh :
O
N
SH
oxosikloheksana piperidine tiosikloheksana
• Tak Jenuh :
tiosikloheksadienapiridinegamma-piranSNO
N
ON
S N
N
oxazole tiazole pirazoleimidazole
N
N
H
Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai lingkar siklis lebih dari satu
Disamping cara penggolongan di atas, senyawa heterosiklis dapat pula digolongkan
menjadi :
A. Senyawa heterosiklis non aromatik
B. Senyawa heterosiklis aromatik
A. Senyawa heterosiklis non aromatik
Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon,
namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa rantai terbuka (alifatik)
Contohnya :
Bahan Ajar Heterosiklik-3
O
N
N
NN
N
NN
morpholine pirimidine pirazine piridazine
N
NN
NN
indole purine
N
N
N
quinoline karbazole isoquinoline
O
C
C
O
O
anhidrida asam suksinat
O
O
C
C
NH
phtal-imida
O
O
C
C
NH
suksin-imida
O
O
dioxan
B. Senyawa heterosiklis aromatik
Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon,
namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa aromatik lainnya.
Agar suatu sistem cincin bersifat aromatik, terdapat tiga kriteria yang harus dipenuhi :
1. Sistem cincin mengandung elektron p (pi) yang terdelokalisasi (terkonyugasi).
2. Sistem cincin harus datar (planar), berhibridisasi sp2.
3. Harus terdapat (4n + 2) elektron p dalam sistem cincin (aturan Huckel).
Contohnya :
Tata Nama Senyawa Heterosiklik Aromatik
Sistem cincin senyawa aromatik heterosiklik juga mempunyai tata nama tersendiri.
Berbeda dengan senyawa lainnya, penomoran pada cincin heterosiklik ditetapkan
berdasarkan perjanjian dan tidak berubah bagaimanapun posisi substituennya. Penomoran
beberapa senyawa heterosiklik adalah sbb :
Bahan Ajar Heterosiklik-4
CH C
OO
R
gamma-lakton asetal lingkar
O
C
O
R
R
O
turunan epoksida
N
HPirol
Furan
O
Tiofen
S
pirazineN
N
N
piridine
Piridin
N1
2
3
4
5
6 5
4 3
2
1S
Tiazol
N
N
N
H
Imidazol
1
2
34
5
N
Kuinolin
1
2
3
45
6
78
Isokuinolin
N1
2
3
45
6
7
8
Piridin
N1
2
3
4
5
6 5
4 3
2
1S
Tiazol
N
N
N
H
Imidazol
1
2
34
5
N
Kuinolin
1
2
3
45
6
78
Isokuinolin
N1
2
3
45
6
7
8
Isokuinolin
N1
2
3
45
6
7
8
N
Kuinolin
1
2
3
45
6
78
Bila suatu senyawa heterosiklik, hanya mengandung satu heteroatom, maka huruf Yunani
dapat juga digunakan untuk menandai posisi cincin
Struktur Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima
Agar suatu heterosiklik dengan cincin lima anggota bersifat aromatik, heteroatom
itu harus memiliki dua elektron untuk disumbangkan ke awan pi aromatik. Pirol, furan dan
tiofen semuanya memenuhi persyaratan ini, sehingga dapat bersifat aromatik.
Penjelasan Struktur berdasarkan Teori Ikatan Valensi
A. Senyawa Pirol
Bahan Ajar Heterosiklik-5
N
HPirol
NPiridin
N
HPirol
N
HPirol
NPiridin
NPiridin
PirolH
N O
Furan
S
Tiofen
PirolH
N O
Furan
S
Tiofen
Konfigurasi elektron
keadaan dasar :
6C : 1s2 2s2 2p2
1 1 1 11 1 11 1111
keadaan tereksitasi :
1s2 2s1 2p3
11 1 1 1 1
sp2
N
H
H
HH
H
++
++
+
_
_
_
_
_
dua elektron pi
dari nitrogen
satu elektron pi
dari karbon
B. Senyawa Furan
C. Senyawa Tiofen
Bahan Ajar Heterosiklik-6
Konfigurasi elektron
keadaan dasar :
7N : 1s2 2s2 2p3
1 1 1 11 1 11 1111
keadaan tereksitasi :
1s2 2s1 2p4
11 1 1 1 1
sp3
1 1
H
H
H
H
++
++
+
_
_
_
_
_
dua elektron pi
dari oksigen
satu elektron pi
dari karbon
O
dua elektron mandiri
dari oksigen
Konfigurasi elektron
keadaan dasar :
8O : 1s2 2s2 2p4
1 1 1 11 1 11 1111
keadaan tereksitasi :
1s2 2s1 2p5
11 1 1 1 1
sp3
1 11 11
H
H
H
H
++
++
+
_
_
_
_
_
dua elektron pi
dari sulfur
satu elektron pi
dari karbon
S
dua elektron mandiri
dari sulfur
Struktur Hibrid Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima
Makin besar jarak pemisahan muatan positif dengan negatif pada struktur hibrid
menyebabkan keadaan semakin kurang stabil. Kerapatan elektron pada atom C nomor 2
dan nomor 5 lebih besar dari kerapatan elektron pada atom C nomor 3 dan 4.
Kemungkinan terjadinya substitusi elektrofilik yang paling besar berada pada atom C
nomor 2 dan 5.
Sifat Karakteristik Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima
A. Senyawa Pirol
Karena atom nitrogen dalam pirol menyumbangkan dua elektron ke awan pi aromatik,
maka atom nitrogen bersifat tuna elektron.
Bahan Ajar Heterosiklik-7
N
H H
N
H
N
H
N
H
N
_ _
__
Pirol
+ +
++
N
H H
N
H
N
H
N
H
N
_ _
__
Pirol
+ +
++
Furan
O O O
OO
_ _
__
+ +
++
Furan
O O O
OO
_ _
__
+ +
++
Tiofen
S S S
SS
_ _
__
+ +
++
Tiofen
S S S
SS
_ _
__
+ +
++
N
HPirol
Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)
Tidak seperti piridin dan amina, pirol (pKb = ~14) tidak bersifat basa.
B. Senyawa Furan
Karena atom oksigen dalam furan menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke
awan pi aromatik, maka atom oksigen bersifat tuna elektron.
Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)
Berbeda dengan pirol, puran menunjukkan sifat basa yang amat lemah.
C. Senyawa Tiofen
Bahan Ajar Heterosiklik-8
H
N+
H
N+
N
HPirol
+ H+ tidak ada kation stabil
O
O+
O+
Karena atom sulfur dalam tiofen menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke
awan pi aromatik, maka atom sulfur bersifat tuna elektron.
Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)
Berbeda dengan pirol, tiofen juga menunjukkan sifat basa yang amat lemah.
Reaksi-reaksi pada Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima
Reaksi-reaksi pada pirol
Walaupun mempunyai sepasang elektron bebas, tetapi karena adanya delokalisasi elektron
dalam cincin aromatis, maka pirol tidak dapat bersifat basa, malahan bersifat asam yang
sangat lemah, sehingga dapat bereaksi dengan NaNH2 ataupun KOH
Dapat pula bereaksi dengan reagen grignard dengan membebaskan alkana.
Bahan Ajar Heterosiklik-9
S
S
+S
+
N
H
KOH
N
K
_
+
+ H2O
+
CH3I N
CH3
• Mengalami reaksi substitusi elektrofilik
1. Nitrasi
2. Sulfonasi
3. Reaksi coupling diazo
4. Pembentukan 2-pirol karbokaldehida
Bahan Ajar Heterosiklik-10
H
N
+ CH3MgBr
N
MgBr+
_+ CH4
NN
H
CCH3ONO2
O
OCH3 C
O
CCH3O
5oCH
NO2
+O
CH3 C
OH
SO3
HH
N N
N SO3
90o
sulfopiridin
asam-2-pirolsulfonat
2-piroldiazonium klorida
NN
H H
+ N NO2N+
Cl_
N NO2N + HCl
5. Asilasi Friedel-Craft
• Mengalami reaksi halogenasi (brominasi)
• Mengalami reaksi reduksi
• Sifat kearomatikan dari pada pirol dapat dihilangkan dengan mereduksinya dengan
hidrogen, pada temperatur tinggi.
Reaksi-reaksi Furan
Bahan Ajar Heterosiklik-11
CH
HH
N N
1. HCN, HCl
2. H2O
NH
H
N CO
H
2-pirol karbokaldehida
C
CH3
O
H
O
CH3 C
O
CCH3
O
H
N NAlCl3 , 250oC
OCH3 C
OH
+
NN
H H
Br2
C2H5OH
Br
Br
Br
Br
2,3,4,5-tetrabromopirol
HH
N N
H2 , Ni / Pt
200 - 250o
pirolidinpirol
Kb = 2,5 x 10-14 Kb = 10-3
Zn , HCl
3-pirolin
N
H
1. Reaksi reduksi
Sifat aromatis furan dapat dihilangkan dengan mereduksi furan menjadi tetra hidro
furan
Makin berkurang sifat aromatisnya makin tinggi titik didihnya, karena makin banyak
dapat membentuk ikatan hidrogen.
2. Reaksi halogenasi
Bahan Ajar Heterosiklik-12
O O
H2 , Ni / Pd
50oC 90 -93 %
furan tetra hidro furan
td 31o td 65o
tetra hidro furan
O
H2O_
CH2 CH CH CH21,3-butadiena
O
tetra hidro furan
+ NH3
N
Hpirolidin
O
tetra hidro furan
+ HCl CH2 CH2 CH2 CH2OHCl
tetra metilen klorohidrin
Senyawa turunan furan (asam furoat) dapat bereaksi dengan halogen, dan setelah
dipanaskan terbentuklah 2-bromo furan.
Senyawa halo-furan juga dapat diperoleh dengan reaksi sebagai berikut :
Dari reaksi ini, juga dapat diturunkan senyawa furan yang tersubstitusi dengan gugus
asetil.
Tetapi umumnya, 2-asetil furan dibuat dengan larutan asam asetat anhidrid yang diri
garam boron triflourida eterat.
Reaksi substitusi elektrofilik
Bahan Ajar Heterosiklik-13
asam furoat
O O
bromo furan
C
O
OH
Br2
OH
O
COBr Br+ CO2
O
halo-furan
OO
furan
HgCl2O
ONaCH3 C X
X2
HgCl
HgCl O
2-asetil furan
O CO
Cl
RO
C
R
HgCl O
2-asetil furan
O CO
O
CH3 C
O
CCH3
O
+C2H5 O C2H5
BF3
CH3
1. Reaksi Nitrasi
2. Reaksi Sulfonasi
Kesimpulan
• Substitusi elektrofilik berlangsung terutama pada posisi 2.
• Posisi 2 (disukai).
• Posisi 3 (tidak disukai).
Bahan Ajar Heterosiklik-14
NO2CCH3ONO2
O
furan
O O
+O
CH3 C
OH
2-nitro furan
furan
O+ NSO3
2-furan sulfonat
O SO3H
NO2N
H
N
H
N
H
+NO
2
NO2
H+
+HNO2
H
N+
HNO2
H
N
-H+
-H+
N
H
NO2
H
++
H
NO2+
NO2
H
N
H
N
H
N
NO2
Piridin
Piridin mempunyai struktur yang serupa dengan benzena
Masing-masing atom penyusun cincin, terhibridisasi sp2 dan mempunyai satu elektron
dalam orbital p yang disumbangkan ke awan elektron p aromatik.
Perhatikan perbedaan antara benzena dan piridin
Benzena bersifat simetris dan nonpolar, tetapi piridin mengandung satu nitrogen yang
bersifat elektronegatif, sehingga bersifat polar.
Pembentukan kation menyebabkan cincin semakin bersifat tuna elektron
Bahan Ajar Heterosiklik-15
Piridin
N N
Piridin
atau
N
++
+
+
+
+
__
_
__
_
N
+
-N
+
-N
+
-
N
FeBr3
+_
+
N
FeBr3
+_
+
Cincin piridin mempunyai kereaktivan rendah terhadap substitusi elektrofilik
dibandingkan dengan benzena. Piridin tidak mengalami alkilasi atau asilasi Friedel-Crafts
maupun kopling garam diazonium. Brominasi berlangsung hanya pada temperatur tinggi
dalam fase uap dan agaknya berlangsung dengan jalan radikal bebas. Bila terjadi
substitusi, akan berlangsung pada posisi 3.
Perbedaan lainnya, nitrogen dalam piridin mengandung sepasang elektron mandiri dalam
orbital sp2. Pasangan elektron ini dapat disumbangkan ke suatu ion hidrogen, sehingga
piridin bersifat basa. Kebasaan piridin (pKb = 8,75) jauh dari kebasaan amina alifatik
(pKb = 4), tetapi piridin menjalani banyak reaksi khas amina
Seperti benzena, cincin aromatik piridin bertahan terhadap oksidasi, tetapi rantai samping
dapat dioksidasi menjadi gugus karboksil.
Bahan Ajar Heterosiklik-16
N N N
Br2300o
Br Br Br
+
3-bromopiridin 3,5-dibromopiridin
N
N
N
H Cl-+
CH3 I-+
piridinium klorida
N-metilpiridinium iodida
HCl
piridin
CH3I
CH3KMnO4, H2O, H+
COOH
toluena asam benzoat
N
CH3KMnO4, H2O, H+
COOH
N3-metilpiridin asam 3-piridinakarboksilat
(asam nikotinat)
Substitusi Nukleofilik pada Cincin Piridin
Bila suatu cincin benzena disubstitusi dengan gugus penarik elektron, seperti –NO2 maka
substitusi nukleofilik aromatik sangat dimungkinkan.
Nitrogen dalam piridin menarik rapatan elektron dari bagian lain cincin itu, sehingga
piridin juga mengalami substitusi nukleofilik. Substitusi berlangsung paling mudah pada
posisi 2, diikuti oleh posisi 4, tetapi tidak pada posisi 3.
Posisi 2 (disukai)
Zat antara pada substitusi C-2, terstabilkan oleh sumbangan struktur resonansi dalam mana
nitrogen mengemban muatan negatif.
Bahan Ajar Heterosiklik-17
O2N
NO2
Cl NH2
NO2
O2NNH3
N Br
NH3
kalor NH2N
2-bromopiridin 2-aminopiridin
4-aminopiridin4-kloropiridin
Nkalor
NH3
N
Cl NH2
N Br
NH3
-H+NH2BrN
_ _
N Br
NH2 NH2BrN
_
N NH2
- Br-
penyumbang utama
struktur-struktur resonansi untuk zat antara
Posisi 3 (tidak disukai)
Substitusi pada posisi C-3 berlangsung lewat zat antara dalam mana nitrogen tak dapat
membantu menstabilkan muatan negatif, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi yang
menyebabkan laju reaksi lebih lambat.
Benzena tanpa subtituen, tidak mengalami substitusi nukleofilik.
Piridin mengalami substitusi nukleofilik, jika digunakan basa yang sangat kuat, seperti
reagensia litium atau ion amida.
Bahan Ajar Heterosiklik-18
struktur-struktur resonansi untuk zat antara
- Br-
NH2
N
_
N
Br
NH2NH2
Br
N__
N
Br
NH2
-H+
NH2Br
N
NH2_
+ 100otidak ada reaksi
N
+_
NH2100o
- H2N NH
_ H2ONH2N
+ OH-
2-aminopiridin
N
+ Li 100o
N+ LiH
2-fenilpiridin
Dalam reaksi antara piridin dengan ion amida (NH2-), produk awal terbentuk adalah anion
dari 2-aminopiridin, yang kemudian diolah dengan air, sehingga menghasilkan amina
bebas.
Tahap 1 (serangan NH2-)
Tahap 2 (pengolahan dengan air)
Kuinolin dan Isokuinolin
Kuinolin dan isokuinolin, keduanya merupakan basa lemah (pKb masing-masing 9,1 dan
8,6). Kuinolin dan isokuinolin, keduanya menjalani substitusi elektrofilik dengan lebih
mudah dari piridin, tetapi dalam posisi 5 dan 8 (pada cincin benzenoid, bukan pada cincin
ntrogen)
Bahan Ajar Heterosiklik-19
struktur-struktur resonansi untuk zat antara
- H-
NNH2NH2
N
_
_NNH2
NH2N _
H H H
_
N N
H
H
+ H_
_NHN
+ H2
anion dari 2-aminopiridin
+ H2O
N NH_
N NH2
+ OH_
2-aminopiridin
N
Kuinolin
HNO3H2SO4
0o N N+
NO2
NO25-nitrokuinolin
8-nitrokuinolin(52%)
(48%)
Seperti piridin, cincin kuinolin dan isokuinolin yang mengandung nitrogen dapat
menjalani substitusi nukleofilik.
Posisi serangan adalah terhadap nitrogen dalam kedua sistem cincin itu, tepat sama
seperti di dalam piridin.
Porfirin
Sistem cincin porfirin terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh gugus =C-.
Sistem cincin keseluruhan bersifat aromatik.
Bahan Ajar Heterosiklik-20
Isokuinolin
N0o
H2SO4
HNO3
N
5-nitroisokuinolin
N
8-nitroisokuinolin
NO2
NO2
+
(90%)
(10%)
(1) NH2-
Kuinolin
N(2) H2O
N NH22-aminokuinolin
N
Isokuinolin
(2) H2O
(1) CH3Li
1-metilisokuinolin
N
CH3
N
N
NNH
H
Porfirin
Sistem cincin porfirin merupakan satuan yang secara biologis sangat penting khususnya
dalam : heme, komponen hemoglobin yang mengangkut oksigen.
Klorofil, suatu pigmen tumbuhan.
Sitokrom, senyawa yang terlibat dalam pemanfaatan O2 oleh hewan.
Hidrogen-hidrogen pirol dalam cincin porfirin dapat digantikan oleh aneka ragam ion
logam (kelat)
Bahan Ajar Heterosiklik-21
N N
N
N
Fe
CH2=CH
CH=CH2
CH3
CH3
CH3
CH3
HO2CCH2CH2
HO2CCH2CH2
Heme
N N
N
N
Mg
CH=CH2
CH2-CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
C20H39O2CCH2CH2
Klorofil-a
O
CH3O2C
Sitokrom c
HO2CCH2CH2
CH3
CH3
CH3
CH3
CHSCH2CH
Fe
N
N
NNCO
NHCH3CHCH2S
CO
NH
HO2CCH2CH2
Recommended