SAP 1-KIMIA ORGANIK LANJUT

NUKLEOFILISITAS/KENUKLEOFILAN

Nukleofil adalah suatu spesies yang kaya electron yang dapat membentuk ikatan kovalen

dengan cara mendonasikan 2 elektron kepada situs yang kekurangan electron.Suatu nukleofil

bermuatan negative(anion) atau molekul netral yang berisi lone pair of electron. Ukuran

kemampuan suatu pereaksi untuk menyebabkan terjadinya suatu reaksi substitusi disebut

dengan nukleofilisitas/kenukleofilan.Kekuatan relative nukleofil dari suatu anion atau situs

nukleofil dalam suatu molekul netral tergantung pada ketersediaan electron.semakin

elektronegatif suatu atom,maka semakin nukleofilik atom tersebut,karena atom diikat lebih

kuat oleh nucleus. Kekuatan nukleofil suatu anion dalam satu perioda yang sama dalam table

periodic mengikuti aturan basisitas dimana semakin elektronegatif suatu atom maka semakin

lemah nuklofilnya dan basanya.

Nukleofilisitas suatu anion atau atom netral dalam suatu golongan yang sama akan semakin

besar semakin kebawah hal ini dikarenakan electron terikat lebih lemah dengan

bertambahnya ukuran atom sehingga atom akan lebih mudah membentuk ikatan. Berikut

urutan kenukleofilan suatu nukleofil.

Kekuatan nuklofil juga bergantung pada solven:

1. Anion biasanya bersifat lebih nukleofil apabila berada dalam solven

apriotik(mengandung gugus polar tetapi bukan ikatan O-H atau N-H), seperti dimetil

sulfoksida (Me2SO) dari pada didalam solven protik.

2. Dalam solven protik(memiliki gugus O-H atau N-H) seperti methanol (MeOH),

solven dapat membentuk ikatan hydrogen dengan anion. Hal ini akan menurunkan

nukleofilsitas karena anion dikelilingi oleh solven,dan ini akan menghindari anion

tersebut menyerang elekrofil.

Nuklofilisitas relative dari sederet pereaksi ditentukan oleh laju relative reaksinya dalam

suatu reaksi substitusi, misalnya suatu reaksi substitusi dengan bromoetana. Nuklofilisitas

berbeda dengan kebasaan(basicity),kebasaan adalah ukuran kemampuan pereaksi untuk

menerima sebuah proton dalam suatu reaksi asam basa.Nuklefilisitas bertindak sebagai

parameter kinetic (kecepatan) sedangkan kebasaan bertindak sebagai parameter

thermodinamika(keseimbangan). Suatu daftar nukleofilisitas relative tidak parallel secara

eksak dengan daftar kuat basa,namun suatu basa lebih kuat biasanya juga merupakan

nukleofil yang lebih baik daripada suatu basa yang lebih lemah. Misalnya,OH- (basa kuat)

adalah nukleofil yang lebih baik daripada Cl- atau H2O (basa lemah).

SUBSTITUSI NUKLOFILIK

Reaksi substitusi adalah suatu reaksi dimana suatu atom, ion atau gugus disubstitusikan oleh

suatu atom, ion atau gugus lain. Dalam reaksi substitusi ada istilah yang disebut dengan

gugus pergi (leaving group) yakni gugus apa saja yang dapat digeser dari ikatannya dengan

suatu atom karbon. Biasanya ion halida merupakan gugus pergi yang baik dalam suatu reaksi

substitusi alkil halida, hal ini dikarenakan ion-ion halida tersebut merupakan basa yang

sangat lemah.

Pada reaksi substitusi nukleofilik atom/ gugus yang diganti mempunyai elektronegatifitas

lebih besar dari atom C, dan atom/ gugus pengganti adalah suatu nukleofil,baik nukleofil

netral atau nukleofil yang bermuatan negative. Suatu nukleofil (Z:) menyerang alkil halida

pada atom karbon hibrida-sp3 yang mengikat halogen (X), menyebabkan terusirnya

halogen oleh nukleofil. Halogen yang terusir disebut gugus pergi. Nukleofil harus

mengandung pasangan elektron bebas yang digunakan untuk membentuk ikatan baru

dengan karbon. Hal ini memungkinkan gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan

elektron yang tadinya sebagai elektron ikatan.

Reaksi substitusi nukleofilik terdiri dari dua mekanisme reaksi yaitu mekanisme reaksi SN1

dan mekanisme reaksi SN2.

REAKSI SN1 (SUBSTITUSI NUKLEOFILIK UNIMOLEKULER)

SN1 merupakan reaksi yang melibatkan ionisasi, reaksi-reaksi ini dibantu oleh pelarut polar

seperti H2O yang dapat menstabilkan ion dengan cara solvasi. Reaksi SN1 terjadi dalam dua

tahap reaksi yaitu:

Tahap 1 :

Ikatan antara karbon dengan gugus pergi putus secara heterolitik(karena pengaruh kepolaran

pelarut) gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan electron dan menghasilkan

karbokation(ion positif)

Tahap 2:

Karbokation bergabung dengan nukleofil menghasilkan produk, pada tahap kedua ini reaksi

berlangsung lebih cepat

Pada reaksi SN1, SN berarti substitusi nukleofilik sedangkn notasi 1 menyatakan bahwa pada

tahap lambat hanya melibatkan satu dari dua pereaksi yakni substrat, pada tahap tersebut

tidak melibatkan nukleofil dalm reaksi. Berikut ini adalah ciri-ciri suatu reaksi yang berjalan

melalui mekanisme SN1:

1. Kecepatan reaksinya tidak bergantung pada konsenrasi nukleofil dan tahap 1(tahap

lambat) merupakan tahap penentu kecepatan reaksi.

2. Jika karbon pembawa gugus pergi adalah bersifat kiral, reaksi menyebabkan

hilangnya aktivitas optic karena terjadi rasemik. Pada ion karbonium, hanya ada iga

gugus yang terikat pada karbon positif. Karena itu, karbon positif mempunyai

hibridisasi sp2 dan berbentuk planar. Jadi nukleofil mempunyai dua arah

penyerangan, yaitu dari depan dan dari belakang. Dan kesempatan ini masing-

masing mempunyai peluang 50 %. Jadi hasilnya adalah rasemit. Misalnya,

reaksi (S)-3-bromo-3-metilheksana dengan air menghasilkan alkohol rasemik.

Spesies antaranya (intermediate species) adalah ion karbonium dengan geometrik planar

sehingga air mempunyai peluang menyerang dari dua sisi (depan dan belakang) dengan

peluang yang sama menghasilkan adalah campuran rasemik.

Reaksi substrat RX yang melalui mekanisme SN1 akan berlangsung cepat jika R

merupakan struktur tersier, dan lambat jika R adalah struktur primer. Hal ini sesuai

dengan urutan kestabilan ion karbonium, 3o> 2o>> 1o.

Energy pada reaksi SN1 dapat digambarkan sebagai berikut:

Pada tahap 1(ionisasi) secara khas mempunyai energy aktivasi tinggi, inilah tahap lambat

dalam proses keseluruhan. Harus tersedia cukup energy agar alkil halide tersier mematahkan

ikatan sigma C-X dan menghasilkan karbokation serta ion halida.

Karbokation adalah zat antara (intermediet) dalam reaksi ini,suatu struktur yang terbentuk

dalam reaksi dam bereaksi lebih lanjut menghasilkan produk.Suatu zat antara bukanlah

keadaan transisi.Pada keadaan transisi merupakan titik puncak dalam suatu kurva energy-

potensial dan intermediet merupakan produk sementara yang reaktif. Energi tertinggi yaitu

pada keadaan transisi kemudian energy zat antara dan energy terendah pada produk akhir.

Pada tahap kedua reaksi SN1 yang merupakan reaksi antara karbokation dengan nukleofil,

energy aktivasinya rendah sehingga reaksi tahap 2 ini berlangsung lebih cepat.

REAKSI SN2 ( SUBSTITUSI NUKLEOFILIK BIMOLEKULER)

Reaksi substitusi nukleofilik bimolekuler adalah reaksi yang proses terjadinya secara

serempak(concerted)/setahap. Pada saat nukleofil menabrak sisi belakang suatu atom karbon

tetrahedral yang terikat pada gugus pergi(X) terjadi dua peristiwa sekaligus,yaitu:

1. Terbentuknya suatu ikatan baru

2. Ikatan C-X mulai patah

Jika energy potensial dari kedua spesi yang bertabrakan cukup tinggi maka kedua proses

diatas lebih mudah terjadi,dan ketika pereaksi diubah menjadi produk akan terbentuk

keadaan transisi/kompleks teraktifkan yang mempunyai energy lebih tinggi dari pada energy

pereaksi ataupun produk. Keadaan transisi tersebut melibatkan dua partikel yaitu Nu- dan RX.

Untuk reaksi SN2, keadaan transisi mencakup suatu rehibridisasi sementara dari atom karbon

ujung , dari sp3 ke sp2 dan akhirnya kembali lagi ke sp3. Dalam keadaan transisi itu atom

karbon tersebut mempunyai tiga ikatan sp2 datar ditambah dua setengah ikatan yang

menggunakan orbital p.

Ketika nukleofil menyerang dari arah belakang molekul,ketiga gugus yang terikat pada

karbon berubah posisi menjadi rata dalam keadaan transisi, kemudian membalik ke sisi lain.

Peristiwa membalik ini disebut inversi konfigurasi atau inversi Walden.

DIAGRAM PERUBAHAN ENERGI REAKSI SN2

Agar suatu reaksi dapat mulai terjadi,beberapa molekul dan ion yang bertabrakan dalam

wadah harus memiliki cukup energy untuk mencapai keadaan transisi pada waktu

bertabrakan. Energi potensial yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan transisi membentuk

suatu barrier energy, dalam grafik barrier ini ialah titik maksimum. Sejumlah energy yang

diperlukan untuk mencapai keadaan transisi disebut dengan energy aktivasi,Eakt.

Pada kondisi yang sama,reaksi dengan Eakt rendah akan berjalan dengan lebih cepat. Makin

sedikit energy yang diperlukan reaksi, akan semakin banyak molekul yang memiliki cukup

energy untuk bereaksi.

MEKANISME REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK BIMOLEKULER SN2

Nukleofil menyerang dari belakang suatu atom karbon tetrahedral yang terikat pada gugus

pergi. Pada saat keadaan transisi, nukleofil dan gugus pergi terikat secara parsial pada

atom karbon dimana terjadi subsitusi. Pada saat gugus pergi meninggalkan atom karbon

dengan membawa pasangan elektron ikatan, nukleofil memberikan pasangan elektron ikatan

dan menghasilkan produk tersubtitusi dengan konfigurasi inversi terhadap substratnya.

GUGUS TETANGGA PADA REAKSI SN2

Gugus tetangga(neighboring-group) pada bagian pertama mekanisme reaksi SN2 bertindak

sebagai nukleofil yang mendorong keluar gugus pergi tetapi tetap menahan molekul leaving

group untuk tidak lepas,sedangkan pada bagian mekanisme reaksi selanjutnya gugus pergi

digantikan oleh nukleofil luar.

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 SN2, dimana reaksi SN2 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 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.

PARTISIPASI OKSIGEN SEBAGAI GUGUS TETANGGA

Contoh partisipasi 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 SN2 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.

PARTISIPASI 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.

MEKANISME REAKSI SNi

Pada mekanisme reaksi SNi(substitution nucleophilic internal) sebagian dari leaving group

menyerang substrat dengan melepaskan diri dari bagian lainnya.Untuk tahap 1dari SNi ini

sama dengan tahap awal dari mekanisme SN1 yakni terjadi disosiasi pasangan electron.Pada

tahap kedua,sebagian lainnya dari leaving group menyerang dari depan,karena tidak

memungkinkan penyerangan dari belakang.

Contoh lain dari reaksi SNi ini yaitu reaksi penguraian ROCOCl menjadi RCl dan CO.

TEORI PASANGAN ION PADA REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK

Pada reaksi SN1 ada produk yang dihasilkan yang tidak dibentuk dari karbokation

bebas,tetapi melalui pasangan ion. Berdasarkan teori pasangan ion,maka reaksi SN1

mengikuti cara:

Konsep pasangan ion memprediksi bahwa reaksi SN1 dapat menampilkan salah satu dari

racemization lengkap atau inversi parsial. Kenyataan bahwa perilaku ini umumnya ditemukan

bukti bahwa pasangan ion yang terlibat dalam banyak reaksi SN1. Ada banyak bukti lain

untuk intervensi pasangan ion, termasuk pasangan ion-molekul.