PERCOBAAN VIII

Judul : Permodelan Molekul

Tujuan : 1. Untuk memvisualisasikan bentuk-bentuk molekul

2. Menghitung energi molekul tersebut beserta

konformasinya

Hari / Tanggal : Selasa / 21 Desember 2010

Tempat : Laboratorium FKIP Unlam Banjarmasin

I. DASAR TEORI

Molekul merupakan konsep dasar dalam kimia organik. Molekul ini

memiliki bentuk dan berada dalam ruang tiga dimensi dimana terjadi interaksi

ruang dari bagian lainnya. Hal ini sangat penting dalam menentukan sifat fisik dan

kimianya. Oleh sebab itu mahasiswa harus mampu membayangkan molekul

organik sebagai objek yang mempunyai bentuk tertentu. Hal ini memang sulit

dibayangkan orang, apalagi dengan molekul yang rumit atau kompleks.

Dalam konformasi senyawa asiklik atau senyawa rantai terbuka,

perputaran yang mengelilingi ikatan rangkap dua karbon-karbon menyebabkan

terjadinya isomer geometri dari banyak alkena. Rintangan yang nisbi besar

terhadap perputaran mengelilingi ikatan π taat asas dengan mudah terpisahnya

isomer konfigurasi tersebut dan perputaran mengelilingi sebagian besar ikatan

tunggal berlangsung nisbi cepat karena ikatan sigma memberikan kesan tidak

adanya dasar untuk perputaran yang terhalang.

Untuk memvisualisasikan struktur molekul agar mendekati keadaan

sebenarnya, dapat menggunakan model molekul sederhana (molymod), yang

kemudian dilukiskan dengan rumus baji (dimensional), rumus bola pasak, dan

proyeksi Newman. Perkembangan dewasa ini visualisasi melalui pemodelan

molekul menggunakan software Hyperchem agar mudah memahami antaraksi

antar molekul atom.

Pada senyawa alkana dan sikloalkana dapat terjadi konformasi susunan

atom/gugus akibat rotasi bebas pada ikatan sigma. Keadaan ini dapat dilukiskan

melalui proyeksi Newman. Jika ikatan karbon-hidrogen terdapat pada pendekatan

yang paling rapat dalam suatu susunan kerutaangan maka disebut sebagai

konformasi eklips, tetapi jika ikatan karbon-hidrogen pada suatu gugus metil

terdapat sejauh mungkin dari ikatan lain yang sejenis dengannya maka disebut

konformasi anti (staggered).

Butana dapat memiliki konformasi eklips dan goyang dalam butane

terdapat dua gugus metil yang relatif besar, terikay pada dua ikatan pusat.

Konformasi goyang dalam mana gugus metil terpisah sejauh mungkin disebut

konformasi anti . Konformasi goyang ini di mana gugus lebih berdekatan disebut

konformasi Gauche.

Adanya substituen yang terikat pada inti benzena ternyata mempengaruhi

orientasi dan kereaktifan dalam substitusi elektrofilik. Orientasi dan kereaktifan

tersebut dikendalikan oleh dua faktor, yaitu efek induksi dan efek resonansi.

Substituen yang berbeda menunjukkan reaksi yang berbeda tergantung pada

pengarahan dan kekuatan kedua faktor tersebut.

Efek substituen dalam reaksi substitusi elektrofilik pada senyawa aromatik

dapat diringkaskan sebagai berikut :

1. Gugus alkil, memberikan efek induksi penarik elektron sedang dan tidak ada

efek resonansi. Hasilnya, gugus-gugus alkil bersifat pengaktif dan pengarah

orto-para.

2. Gugus hidroksi dan gugus amino (dan turunannya), memberikan efek

resonansi pendorong elektron kuat, dan efek induksi penarik elektron sedang.

Hasilnya gugus-gugus ini bersifat pengaktif dan pengarah orto-para.

3. Halogen, memberikan efek induksi penarik elektron kuat dan efek resonansi

pendorong elektron sedang. Hasilnya halogen bersifat pendeaktif dan

pengarah orto-para.

4. Gugus-gugus nitro, siano, karbonil dan gugus-gugus serupa memberikan efek

resonansi penarik elektron kuat dan efek induksi juga penarik elektron kuat.

Hasilnya gugus-gugus tersebut bersifat pendeaktif dan pengarah meta.

Adanya gugus pengaktif akan meningkatkan laju reaksi substitusi

elektrofilik dan sebaliknya gugus pendeaktif menurunkan laju reaksi.

Reaksi – reaksi dasar

Nitrasi aromatik yang membentuk senyawa nitro terjadi dengan

pembentukan ion nitronium dari asam nitrat and asam sulfat.

Sulfonasi aromatik benzena dengan uap asam sulfat yang menghasilkan

asam benzenasulfonik .

Halogenasi aromatik benzena dengan bromin, klorine atau iodine

membentuk senyawa halogen aril yang dikatalisasi besi trihalida yang sepadan.

Katalis yang paling sering dipakai adalah aluminium thriklorida, tetapi

hampir semua asam lewis kuat dapat dipakai. Pada asilasi Fridel-Crafts,

aluminium triklorida dengan jumlah sepenuhnya dapat dipakai, bukan jumlah

kecil katalis

II. ALAT DAN BAHAN

1. Laptop

2. Layar

3. LCD

4. Kertas

5. Printer

III. PROSEDUR KERJA

1. Membuka program HyperChem

2. Memilih menu “Display”, memilih “Rendering”, memilih “stick and

cylinder”.

3. Memilih menu “Build”, memilih “Deafault Element”,memilih atom C

dan membuat struktur benzen.

4. Memilih menu “Build”, memilih menu “Add Hydrogen” untuk

menambahkan atom hydrogen.

5. Mengganti salah satu atom hidrogen dengan gugus metil (CH3)

dengan menggunakan prosedur kerja yang sama dengan no 3.

6. Menghitung energi anilin dengan cara memilih menu “Set up”,

memilih “Semi-Empirical” lalu memilih “AMI” kemudian memilih

OK.

7. Memilih “Compute” pada menu dan memilih “ Geomtry

Optimization”,memilih OK.

8. Memilih menu “File” setelah perhitungan selesai,memilih “Start Log”

untuk menghitung energi.

9. Mengganti salah satu atom H dengan atom NO2 baik pada posisi

orto,meta,para.

10. Menghitung masing-masing energi toluen tersubtitusi,atom NO2 pada

posisi orto, meta, para.

11. Mengulang prosedur no 6-8.

12. Mencatat dan membandingkan energi dari kompleks sigma orto, meta

dan para.

13. Lakukan pula untuk molekul, nitrobenzena, anilin, klorobenzena,

fluorobenzena, bromobenzena, iodobenzena, benzaldehid, asetofenon,

fenol, dan asam benzoat.

IV. HASIL PENGAMATAN

No Nama Molekul Bentuk Molekul Tingkat Energi (kkal/mol)

1 Benzena -1316,0846555

2 Anilin -1481,7411898

o- Anilin -1662,5274451

m- Anilin -1659,2409487

p- Anilin -1661,7101909

3 Nitrobenzena -1492,8403069

o- Nitrobenzena -1659,5580802

m- Nitrobenzena -1665,0332779

p- Nitrobenzena -1664,8756238

4 Fenol -4185,8047

o- Fenol -4956,2974

m- Fenol -4954,5464

p- Fenol -4956,5845

5 Toluena -1598,8241765

o- Toluena -1774,3257509

m- Toluena -1775.6568164

p- Toluena -1776,0162619

6 Asam benzoat -5737,1133

o- Asam benzoat -2121,0415

m- Asam benzoat -2127,8761

p- Asam benzoat -2108,7473

7 Benzaldehid -928,70

o-Benzaldehid -1677,7

m-Benzaldehid -1752,31

p-Benzaldehid -1752,10

8 Aseton -1858.7207

o-Aseton -2067.4775

m-Aseton -1924.7487

p-Aseton -2072.0176

9 Bromobenzena - 1285,9926

o-Bromobenzena -1453,7266

m-Bromobenzena - 1461,0168

p-Bromobenzena - 1461,1790

10 Flourobenzena -1328.1924

o-Flourobenzena -1488.7040

m-Flourobenzena -1502.7601

p-Flourobenzena -1504.0172

11

C6H5CO2C2H5-2165,5618

o- C6H5CO2C2H5-2334,5879

m- C6H5CO2C2H5-2338,6335

p- C6H5CO2C2H5

-2338,9724

12

C6H5NHCOCH3

-2022,1774

o- C6H5NHCOCH3-2196,4399

m- C6H5NHCOCH3-2197,1057

p- C6H5NHCOCH3-2199,2791

13

Iodobenzena -1273,4015

o- Iodobenzena-1440,3035

m- Iodobenzena-1448,6290

p- Iodobenzena-1448,5441

14

-CN -1516,5242

o- -1687,0969

m- -1690,7692

p- -1690,7275

V. ANALISIS DATA

Suatu benzena yang tersubstitusi oleh substituen amino, NH2, menghasilkan

energi yang lebih rendah daripada benzena itu sendiri. Energi turun, dikarenakan

gugus NH2 dapat menambah penstabilan dengan cara ikut mengemban muatan

positif pada atom nitrogen, sehingga energi untuk penstabilan ikatan yang

diperlukan menjadi kecil.

NH2 merupakan substituen gugus aktivasi. Adanya gugus ini menyebabkan

cincin benzena lebih terbuka terhadap substitusi lebih lanjut. Gugus NH2

merupakan pengarah –o dan –p, hal ini bisa dilihat dari struktur resonansi anilin

sebagai berikut :

Dengan mekanisme substitusi NO2 ke dalam benzena sebagai berikut :

Dalam zat antara untuk substitusi –m, nitrogen dari gugus amino tak dapat

membantu mengemban muatan positif, dapat dilihat pada struktur resonansi

berikut :

Dikarenakan dalam zat antara untuk substitusi –m nitrogen dari gugus amino

tak dapat membantu mengemban muatan positif, sehingga zat antara untuk

substitusi –m berenergi lebih tinggi dibandingkan dengan zat antara yang

menghasilkan produk –o dan –p.

Sama halnya dengan NH2, gugus –OH juga merupakan gugus pengarah –o dan

–p. gugus amino dan gugus –OH mengaktifkan cincin benzena terhadap subtitusi

elektrofilik dengan cara menyumbangkan sepasang elektron kepada cincin lewat

resonansi. Substitusi terjadi pada posisi –o dan –p, karena gugus itu membantu

mengemban muatan positif dalam zat-zat antara (-o dan –p) ini. Struktur resonansi

untuk fenol adalah sebagai berikut :

Sama juga halnya anilin, muatan positif fenol pada posisi –m tidak dapat

diemban oleh atom O pada gugus –OH sehingga energinya besar.

Pada toluena, gugus aktivasinya berupa alkil yaitu CH3. Suatu gugus alkil

tidak memiliki pasangan elektron menyendiri untuk disumbangkan bagi

penstabilan secara resonansi. Namun, gugus alkil bersifat melepas elektron

dengan cara efek induktif. Karena gugus alkil melepaskan elektron ke cincin

benzena, cincin ini memperoleh rapatan elektron tambahan dan menjadi menarik

bagi elektrofil yang masuk.

Adapun struktur resonansi dari toluena adalah sebagai berikut.

Zat antara untuk substitusi –o atau –p keduanya mempunyai struktur resonansi

dalam mana muatan positif berada di dekat gugus R. Struktur-struktur ini

merupakan penyumbang yang penting untuk penstabilan resonansi, karena gugus

R dapat membantu mendelokalisasikan muatan positif dengan cara melepaskan

proton dan menurunkan energi keadaan transisi yang menuju ke zat-zat setara ini.

Pada zat antara substitusi –m tidak ada stabilitas tambahan karena muatan positif

tidak ada yang terletak di dekat gugus alkil (CH3), sehingga zat antara –m akan

berenergi lebih tinggi daripada zat-zat antara –o dan –p.

Sama halnya dengan NH2, gugus –I2 juga merupakan gugus pengarah –o dan –

p, gugus amino dan gugus –I2 mengaktifkan cincin benzena terhadap subtitusi

elektrofilik dengan cara menyumbangkan sepasang elektron kepada cincin lewat

resonansi. Substitusi terjadi pada posisi –o dan –p, karena gugus itu membantu

mengemban muatan positif dalam zat-zat antara (-o dan –p) ini. Struktur resonansi

untuk iodobenzena adalah sebagai berikut :

Sama halnya dengan -I, gugus –F dan –Br juga merupakan gugus pengarah –o

dan –p. gugus -I, -F dan -Br mengaktifkan cincin benzena terhadap subtitusi

elektrofilik dengan cara menyumbangkan sepasang elektron kepada cincin lewat

resonansi. Substitusi terjadi pada posisi –o dan –p, karena gugus itu membantu

mengemban muatan positif dalam zat-zat antara (-o dan –p) ini.

Struktur resonansi untuk fluorobenzena adalah sebagai berikut :

Struktur resonansi untuk bromobenzena adalah sebagai berikut :

Pada gugus iodo dan fluoro merupakan golongan halogen dan pengarah -o, -p

tetapi mendeaktivasi cincin terhadap substitusi elektrofilik. Substituen halogen

pada cincin benzena mengarahkan sebuah gugus masuk ke posisi -o atau –p.

Halogen dapat menyumbangkan elektron-elektronnya dan membantu mengemban

muatan positif dalam zat-antara. Pada Fluorobenzen dan Iodobenzen mengandung

cincin yang terdeaktivasi, karena penarikan elektron oleh substituen-substituen ini

relatif lebih efektif. Dapat disimpulkan bahwa gugus –Fluoro dan -Iodo

merupakan pengarah –orto dan -para dengan sifat mendeaktivasi sehingga pada

struktur tersebut Fluorobenzena dan Iodobenzen pada posisi -o dan -p lebih

stabil daripada posisi –m.

Berikut adalah perbandingan energi kompleks sigma orto, meta, dan para dari

anilin, fenol, dan toluena :

SenyawaKompleks sigma (kkal/mol)

Orto Meta Para

Anilin -1662,527 -1659,2409 -1661,7102

Fenol -4956,2974 -4954,5464 -4956,5845Toluena -1774,326 -1775,6568 -1776,0163

Florobenzena -1488.7040 -1502.7601 -1504.0172Iodobenzena -1440,3035 -1448,6290 -1448,5441

Bromobenzena -1453,7266 - 1461,0168 - 1461,1790

Dari data di atas terlihat bahwa yang tidak sesuai dengan teori adalah anilin

dan fenol. Kemungkinan telah terjadi kesalahan dalam pembuatan struktur

molekul sehingga telah terjadi kesalahan dalam perhitungan energi.

Untuk gugus -NO2, -COOH, -CO2C2H5, -NHCOCH3 dan COCH3 merupakan

gugus pendeaktivasi dan pengarah meta. Dalam benzena yang tersubstitusi dengan

pengarah meta, atom substituen yang terikat pada cincin benzena tidak

mempunyai pasangan elektron menyendiri dan mengemban muatan positif atau

positif parsial. Akan nampak dengan mudah bahwa pengarah –m bersifat

mendeaktivasi. Masing-masing bersifat penarik elektron dan tak dapat

menyumbangkan elektron secara resonansi. Masing-masing mengurangi rapatan

elektron cincin dan membuatnya kurang menarik bagi elektrofil yang masuk.

Energi keadaan trasisi tahap I lebih tinggi daripada energi untuk benzena tak

tersubstitusi.

Suatu pengarah meta tidak mengaktifkan posisi –m terhadap substitusi

elektrofilik. Pengarah –m mendeaktivasi semua posisi dalam cincin, hanya saja

deaktivasi posisi –m lebih kecil daripada posisi-posisi lain. Struktur resonansi zat

–zat antara yang dihasilkan oleh serangan pada berbagai posisi menunjukkan

bahwa zat-zat antara –o dan –p didestabilkan oleh dekatnya dua muatan positif.

Zat antara –m tidak mempunyai struktur resonansi yang terdestabilkan semacam

itu.

Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi NO2 ke dalam

nitrobenzen adalah sebagai berikut :

Untuk posisi –o dan –p terdapat salah satu struktur resonansinya yang muatan

positifnya terletak berdampingan dengan muatan positif N dari NO2, sehingga

terjadi gaya tolak-menolak dan energi yang diperlukan untuk penstabilan besar.

Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -COCH3 ke dalam

asetofenon adalah sebagai berikut :

Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -CN kedalam C6H5CN

adalah sebagai berikut :

Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -NHCOCH3 kedalam

C6H5NHCOCH3 adalah sebagai berikut :

Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -CO2C2H5 kedalam

C6H5CO2C2H5 adalah sebagai berikut :

Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi –COH kedalam

benzaldehid adalah sebagai berikut :

Pada data di atas, gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN, -COCH3, -NO2, -

COOH dan -COOH merupakan pengarah -meta (bertambahnya deaktivasi) dan

bersifat mendeaktifasi. Adanya gugus ini menyebabkan cincin lebih tertutup

terhadap substitusi. Atom substituen yang terikat pada cincin benzena tidak

mempunyai pasangan elektron menyendiri dan mengemban muatan positif atau

positif parsial. Masing-masing bersifat penarik-elektron dan tidak dapat

menyumbangkan elektron secara resonansi. Masing-masing mengurangi rapatan

elektron cincin dan membuatnya kurang menarik bagi elektrofil yang masuk.

Gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN dan –COCH3, -NO2, -COOH dan -COOH

merupakan pengarah -meta yang tidak mengaktifkan posisi -m terhadap substitusi

elektrofilik. Pengarah -m mendeaktivasi semua posisi dalam cincin, hanya saja

deaktivasi posisi –m lebih kecil daripada posisi-posisi lain. Dapat disimpulkan

bahwa gugus gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN dan –COCH3, -NO2, -COOH

dan -COOH merupakan gugus deaktivasi dan pengarah –meta sehingga pada

struktur tersebut gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN dan -COCH3 pada posisi –

meta lebih stabil daripada posisi orto ataupun –para.

Pada gambar tersebut kita dapat mengetahui bahwa meta mempunyai

energi yang terendah dibandingkan dengan orto dan para, dan dapat kita ketahui

juga dari data tersebut bahwa energi yang paling rendah maka itulah senyawa

yang paling stabil.

Kestabilan ini berhubungan dengan delokalisasi. Sebagai prinsip yang

umum, semakin menyebarnya elektron disekitar dalam kata lain semakin

terdekalosasi molekul maka menjadi makin stabil. Kestabilan elektron ini sering

dihubungkan dengan kata genergi dari dekalosasi (delocalisation energy). Suatu

kestabilan zat-antara yang meningkat berarti bahwa energi transisi akan lebih

rendah dan karena itu reaksi akan lebih cepat.

Dalam zat antara untuk subsitusi-m, nitrogen dari gugus nitro tak dapat

membantu mengemban muatan positif (periksalah kebenaran pernyataan ini

dengan menggambar struktur kekule untuk zat antara tersubtitusi -m). Oleh karena

itu, zat-antara untuk substitusi-m berenergi lebih tinggi dibandingkan dengan zat-

antara yang menghasilkan produk -o atau –p. Karena zat antara itu berenergi lebih

tinggi, maka keadaan tansisinya pun berenergi lebih tinggi, dan laju reaksi pada

posisi-m akan lebih rendah.

Struktur resonansi asam benzoat sama dengan struktur resonansi nitrobenzena.

Adapun perbandingan energi kompleks sigma orto, meta, dan para adalah sebagai

berikut :

SenyawaKompleks sigma (kkal/mol)

Orto Meta Para

Nitrobenzena -1659,558 -1665,033 -1664,8756

Asam benzoat -1865,681 -1870,698 -1870,1509

C6H5CN -1687,0969 -1690,7692 -1690,7275

C6H5NHCOCH3 -2196,4399 -2197,1057 -2199,2791C6H5CO2C2H5 -2334,5879 -2338,6335 -2338,9724Asetofenon -2067.4775 -1924.7487 -2072.0176Benzaldehid -1677,7 -1752,31 -1752,10

Dilihat dari data di atas maka energi yang dihasilkan sesuai dengan teori,

yaitu energi pada posisi –o dan –p lebih tinggi daripada energi kompleks meta,

pada gugus pengarah meta yaitu asetofenon.

VI. KESIMPULAN

1. Semakin besar energi suatu konformasi maka molekul tersebut

semakin tidak stabil.

2. Energi pada kompleks sigma meta akan jauh lebih besar pada gugus

pengarah –o dan –p (gugus pengaktivasi).

3. Energi pada kompleks sigma meta akan jauh lebih kecil pada gugus

pengarah –m (gugus pendeaktivasi).

4. Dari percobaan ini, yang termasuk dalam pengarah orto, para adalah

anilin, fenol, toluena, iodobenzena, fluorobenzena, bromobenzena.

Sedangkan yang termasuk pengarah meta adalah nitrobenzena,

asetofenon, C6H5CN, C6H5NHCOCH3, C6H5CO2C2H5, benzaldehid dan

asam benzoat.

VII. DAFTAR PUSTAKA

Anwar, Chairil. 1995. Pengantar Praktikum Kimia Organik. Yogyakarta :

UI-Press.

Fessenden dan Fessenden. 1982. Kimia Organik Jilid 2. Jakarta: Erlangga.

Tim Dosen Kimia Organik 1. 2008. Panduan Praktikum Kimia Organik 1.

Banjarmasin : FKIP UNLAM.