16/11/2016
Slaid kuliah Kimia Organik I untuk mhs S1 Kimia semester 3
Bab 10 & 11 Alkil Halida: Substitusi Nukleofilik & Eliminasi Budi Arifin (dibantu oleh Dumas Flis Tang) Bagian Kimia Organik Departemen Kimia FMIPA-IPB
TIU TIK
1
16/11/2016
Daftar Pustaka: McMurry J. 2008. Organic Chemistry. Ed. ke-7. Belmont: Brooks/Cole. Bab 10, 11. Solomons TWG, Fryhle CB. 2011. Organic Chemistry. Ed. ke-10. New York: J Wiley. Bab 6.
Solomons TWG, Fryhle CB. 2004. Organic Chemistry. Ed. ke-8. New York: J Wiley. Bab 6.
Organohalida mengandung 1 atau lebih atom halogen. CC–X, C=C–X, Ar–X, atau R–X • Tersebar luas di alam, terutama di organisme laut. • Digunakan dalam aneka aplikasi di industri.
trikloroetilena (pelarut)
halotana (anestesi hirup)
diklorofluorometana (zat pendingin)
bromometana (fumigan)
epibatidina (dari kodok Ekuador Epipedobates tricolor, penghilang nyeri 200x lebih kuat dari morfina)
2
16/11/2016
10.1 TATA NAMA DAN STRUKTUR (1) Nama IUPAC: haloalkana iodometana (metil iodida)
Nama umum: alkil halida 2-kloropropana (isopropil klorida)
(2) Tata nama = hidrokarbon (nama substituen: halo)
5-bromo-2,4-dimetilheptana
2-bromo-4,5-dimetilheptana
1-bromo-3-kloro-4-metilpentana
2-bromo-5-metilheksana (BUKAN 5-bromo-2-metilheksana)
peningkatan jejari halogen
3
16/11/2016
10.2 PENYIAPAN ALKIL HALIDA (1) Halogenasi Alkana Tahap INISIASI
Tahap PROPAGASI (pengulangan siklus)
Tahap TERMINASI
Reaksi Keseluruhan
Kelemahan: Hampir selalu dihasilkan campuran produk
1-klorobutana
2-klorobutana 30 : 70
70% Reaktivitas H-2o
=
30%
Produk poliklorinasi
4 3,5 Reaktivitas H-1o 6
4
16/11/2016
1-kloro-2-metilpropana
2-kloro-2-metilpropana 35 : 65
35% Reaktivitas H-3o
=
65%
Produk poliklorinasi
1 5 Reaktivitas H-1o 9
Reaktivitas Primer 1.0
Energi ikatan C–H (kJ mol-1)
420
<
Sekunder 3.5
<
401
Tersier 5.0 390
Reaksi brominasi umumnya lebih selektif ketimbang klorinasi, karena tahap abstraksi hidrogen oleh radikal bromin lebih endotermik.
metilpropana 2-bromo-2metilpropana (>99%)
1-bromo-2metilpropana (<1%)
5
16/11/2016
(2) Brominasi Alilik
posisi alilik 3-bromo sikloheksena (85%)
sikloheksena
Alilik 360 kJ mol-1
Alkil 400 kJ mol-1
Vinilik 445 kJ mol-1
Reaksi juga berlangsung melalui jalur reaksi rantai radikal:
radikal alilik
6
16/11/2016
Urutan stabilitas radikal:
Vinilik
<
Metil
<
Primer
<
Sekunder
<
Tersier <
Alilik
Atom karbon radikal dapat memiliki hibridisasi-sp2 dengan elektron tak-berpasangan menempati orbital p. Struktur ini memungkinkan kedua karbon ujung berbagi elektron takberpasangan ini secara sama:
Resonans radikal alilik menyebabkan brominasi alilik suatu alkena taksimetrik akan menghasilkan campuran produk:
1-oktena
3-bromo-1-oktena (17%)
1-bromo-2-oktena (83%) (53:47 = trans:cis)
(Reaksi pada ujung primer yang kurang terhalangi lebih disukai.)
7
16/11/2016
Produk brominasi alilik mudah diubah menjadi diena dengan dehidrohalogenasi menggunakan basa.
sikloheksena
3-bromosikloheksena
1,3-sikloheksadiena
Latihan:
Tuliskan semua kemungkinan produk reaksi 4,4-dimetilsiklo heksena dengan NBS.
(3) Substitusi Alkohol Reaksi alkohol 3o dengan HX (X = Cl, Br, I):
1-metilsikloheksanol
1-kloro-1-metilsikloheksana (90%)
Alkohol 1o dan 2o bereaksi jauh lebih lambat dan pada suhu lebih tinggi. Pengubahan kedua alkohol ini menjadi alkil halida paling baik dilakukan dengan tionil klorida (SOCl2) atau fosforus trihalida (PX3; X = Cl, Br).
8
16/11/2016
benzoin
2-butanol
(86%)
2-bromobutana (86%)
Keunggulan: - Kondisi reaksi lebih lembut (kurang asam) penataan-ulang lebih jarang - Rendemen biasanya tinggi. - Gugus fungsi lain (eter, karbonil, aromatik) tidak ikut bereaksi. Mekanisme ketiga reaksi ini akan dipelajari di Bab 17.
10.3 REAKSI ALKIL HALIDA: PEREAKSI GRIGNARD
alkilmagnesium halida (pereaksi Grignard)
Polarisasi ikatan C–Mg atom karbon bermuatan negatif parsial (nukleofilik). iodometana
metilmagnesium iodida
9
16/11/2016
Hidrokarbon adalah asam sangat lemah (pKa 44–60) kebasaan anion karbon sangat kuat Pereaksi Grignard dapat mendeprotonasi asam lemah seperti H2O, ROH, RCO2H, dan RNH2 menghasilkan alkana. Dengan cara ini, halida organik direduksi menjadi alkana.
1-bromoheksana
1-heksilmagnesium bromida
Tingkat oksidasi rendah
heksana (85%)
Tingkat oksidasi tinggi
10.4 REAKSI KOPLING ORGANOLOGAM Pereaksi Grignard tergolong organologam karena memiliki ikatan karbon-logam. (1) Alkillitium, RLi
1-bromobutana
nukleofili & basa kuat (analog pereaksi Grignard)
butillitium
(2) Litium dialkilkuprat, R2CuLi (pereaksi Gilman)
metillitium
litium dimetilkuprat
10
16/11/2016
Pereaksi Gilman lazim direaksikan dengan halida organik membentuk alkana (reaksi kopling organologam).
litium dimetilkuprat
1-iododekana
trans-1-iodo1-nonena
litium dibutilkuprat
iodobenzena
undekana (90%)
trans-5-tridekena (71%)
toluena (91%)
(3) Organotimah kopling aril atau vinil berkataliskan-paladium.
para-bromoasetofenon
para-vinilasetofenon
Soal Latihan Problem 10.1 s.d 10.13
11
16/11/2016
Soal-soal Latihan • Problem 10.1–10.42
11.1 REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK Ikatan C–X polar, karbon menjadi elektrofili dalam reaksi polar
Dengan nukleofili/basa, alkil halida dapat mengalami 2 reaksi
Substitusi
Eliminasi
12
16/11/2016
Paul Walden (1896): interkonversi asam (+)- dan (–)-malat
(–)-asam malat [α]D= -2.3
(+)-asam klorosuksinat
(–)-asam klorosuksinat
(+)-asam malat [α]D= +2.3
Reaksi dalam siklus tersebut tentunya ada yang melibatkan pembalikan (inversi) konfigurasi pusat kiralitas.
(+)-1-fenil-2-propanol [α]D= +33.0
[α]D= +7.0
[α]D= -31.1
[α]D= +31.1
[α]D= -7.06
(–)-1-fenil-2-propanol [α]D= -33.2
13
16/11/2016
Dari 3 tahapan reaksi: (1) pembentukan alkil tosilat, (2) substitusi ion tosilat oleh ion asetat, dan (3) hidrolisis-basa gugus asetat, hanya tahap (2) yang memutus ikatan C–O pada pusat kiralitas inversi terjadi pada tahap (2).
Reaksi pada siklus Walden & tahap (2) sekarang dikenal sebagai substitusi nukleofilik.
p-toluenasulfonat (tosilat)
11.2 REAKSI SN2 Dari studi reaksi-reaksi sejenis, reaksi substitusi nukleofilik (SN) pada alkil halida (atau tosilat) 1 o dan 2o selalu disertai inversi konfigurasi. Studi kinetika menunjukkan, melipatduakan [alkil halida] atau [nukleofili] akan melipatduakan laju reaksi:
v k RX Nu :
REAKSI ORDE-KEDUA
ED Hughes & C Ingold (1937): mekanisme SN2 (substitusi nukleofilik bimolekular) menjelaskan kedua hasil pengamatan di atas.
14
16/11/2016
(S)-2-bromobutana (tetrahedral, sp3)
keadaan peralihan (segitiga datar, sp2)
(R)-2-butanol (tetrahedral, sp3)
(1) Reaksi 1-tahap (serentak). (2) Nukleofili bereaksi dengan substrat dari arah berlawanan dengan gugus pergi. (3) Seiring nukleofili mulai terikat, gugus pergi mulai terlepas, dan berlangsung inversi konfigurasi.
Faktor-faktor yang Memengaruhi Reaksi SN2 (1) Substrat: Efek Sterik Substrat meruah yang atom karbon--nya terhalangi untuk diserang dari belakang oleh nukleofili akan lebih lambat bereaksi SN2.
15
16/11/2016
Reaksi SN2 biasanya hanya terjadi pada metil halida, halida 1 o, dan beberapa halida 2o sederhana.
t-butil bromida neopentil bromida isopropil bromida (halida 1o) (halida 2o) (halida 3o) 1 500 <1
etil bromida metil bromida (halida 1o) 40 000 2 000 000
(2) Nukleofili Spesies anionik atau netral yang dapat mendonorkan PEB (basa Lewis). Nukleofili anionik
Produk netral
Nukleofili netral
Produk kationik
Ion negatif lebih nukleofilik (pemasok elektron yang lebih baik) daripada molekul netral. HO > HOH
RS
> RSH
RO > ROH
16
16/11/2016
Semakin elektronegatif suatu atom (semakin ke atas dan semakin ke kanan pada tabel berkala) semakin kuat daya
tarik elektronnya, maka kurang nukleofilik.
HS
> HO
I
> Br > Cl > F
semakin ke atas pada tabel berkala
R R C R
R N
>
> R O > F
H3N > H2O > HF
R
semakin ke kanan pada tabel berkala
Laju reaksi SN2 meningkat dengan bertambahnya kekuatan nukleofili (nukleofilisitas) reaktan.
17
16/11/2016
(3) Gugus Pergi
Gugus pergi yang baik dapat menstabilkan muatan negatif. Urutan reaktivitas gugus pergi berkebalikan dengan urutan kebasaannya.
<<1
1
200
10.000
30.000
60.000
Alkil fluorida, alkohol, eter, dan amina biasanya tidak mengalami reaksi SN2. Agar alkohol dapat bereaksi SN2, –OH harus terlebih dulu diubah menjadi gugus pergi yang lebih baik (dibahas di Bab 17). Epoksida (eter siklik beranggota-3), tidak seperti eter alifatik,
sangat reaktif terhadap nukleofili (dibahas di Bab 18).
(4) Pelarut Pelarut protik (air, alkohol) memiliki atom H terikat pada atom elektronegatif. Dalam pelarut protik, nukleofili akan tersolvasi melalui ikatan hidrogen sehingga menurun nukleofilisitasnya.
Ikatan hidrogen semakin lemah seiring bertambahnya ukuran nukleofili. Nukleofili yang lebih besar juga lebih terkutubkan (polarizable). Karena itu, dalam pelarut protik Nukleofilisitas
18
16/11/2016
Pelarut aprotik polar, di sisi lain, mensolvasi kation dengan sangat baik melalui sumbangan PEB ke orbital kosong dari kation.
Anion (nukleofili) tidak ikut disolvasi, karena pelarut aprotik polar tidak dapat membentuk ikatan hidrogen dan pusat positifnya terperisai oleh efek sterik. Karena itu, dalam pelarut aprotik polar, nukleofili akan ‘telanjang’ dan meningkat nukleofilisitasnya.
Laju reaksi SN2 meningkat dalam pelarut aprotik polar.
19
16/11/2016
Latihan 1: Klasifikasikan pelarut-pelarut berikut sebagai protik atau aprotik: - asam format, HCO2H - belerang dioksida, SO2 - aseton, CH3COCH3 - amonia, NH3 - asetonitril, CH3CN - trimetilamina, N(CH3)3 - formamida, HCONH2 - etilena glikol, HOCH2CH2OH.
Latihan 2: Apakah reaksi propil bromida dengan natrium sianida
CH3CH2CH2Br + NaCN CH3CH2CH2CN + NaBr diperkirakan akan berlangsung lebih cepat dalam DMF atau dalam etanol? Jelaskan jawaban Anda.
Latihan 3: Untuk setiap pasangan berikut, manakah yang Anda harapkan menjadi nukleofili lebih kuat dalam pelarut protik: (a) CH3CO2– atau CH3O–
(b) H2O atau H2S
(c) (CH3)3P atau (CH3)3N
Pengaruh (a) Substrat, (b) Nukleofili, (c) Gugus Pergi, dan (d) Pelarut terhadap Laju Reaksi SN2
20
16/11/2016
Contoh Reaksi SN2 di Alam: Metilasi Biologis
epineprin (adrenalin)
norepineprin
(S)-Adenosilmetionin (SAM)
(S)-Adenosilhomosistein (SAH)
Soal-soal Latihan • Problem 11.1–11.7 • Problem
21
16/11/2016
11.3 REAKSI SN1 Substrat yang terhalangi (halida 3o) ternyata juga mudah menjalani reaksi substitusi nukleofilik dengan air (nukleofili netral, pelarut protik).
Laju reaksi SN1 (CH3)3CCl dengan H2O didapati bergantung hanya pada konsentrasi alkil halida:
v k RX
REAKSI ORDE-PERTAMA
Reaksi berlangsung dengan mekanisme SN1
(substitusi nukleofilik unimolekular): Reaksinya bertahap: (1) Gugus pergi lepas sebelum air mendekat. Karbokation tert-butil terbentuk sebagai zat antara.
(2) Air lalu dengan cepat menyerang karbokation menghasilkan produk.
22
16/11/2016
Tahap lambat menjadi leher-botol yang menentukan laju reaksi.
atau
Karbokation, karena planar, dapat diserang sama baiknya dari 2 sisi yang berlawanan campuran rasemik:
50% inversi konfigurasi
zat antara karbokation planar, akiral
50% retensi konfigurasi
Faktanya, inversi umumnya sedikit lebih banyak:
(R)-6-kloro2,6-dimetiloktana
60% S (inversi)
40% R (retensi)
(ekuivalen dengan 80% R,S + 20% S)
23
16/11/2016
Rasemisasi taksempurna dalam sebagian besar reaksi S N1 dapat dijelaskan dengan mekanisme pasangan-ion (Winstein): Sisi terbuka untuk diserang
Sisi terlindung dari serangan
Pasangan ion
Karbokation bebas
Inversi
Rasemisasi
Anion gugus pergi memerisai karbokation terhadap serangan nukleofili dari sisi tempat anion berada.
Faktor-faktor yang Memengaruhi Reaksi SN1 (1) Substrat: Efek Elektronik Substrat yang terdisosiasi menghasilkan karbokation lebih stabil akan menjalani reaksi SN1 dengan lebih cepat. (contoh postulat Hammond)
Metil <1
Primer 1
Sekunder 12
Tersier 1 200 000
24
16/11/2016
Secara khusus, halida alilik dan benzilik mudah menjalani
reaksi SN. Reaksi SN1 disukai karena stabilisasi-resonans dari karbokation yang dihasilkan:
karbokation alilik
karbokation benzilik
Urutan stabilitas karbokation (sekaligus urutan reaktivitas S N1):
metil
<
primer <
alilik
=
benzilik
= sekunder
<
tersier
Substrat alilik dan benzilik 1o juga lebih reaktif dalam reaksi SN2 daripada substrat 1o biasa, karena ikatan C–X alilik dan benzilik lebih lemah.
338 kJ mol-1
289 kJ mol-1
293 kJ mol-1
Namun, reaksi SN1 lebih mendominasi pada kedua substrat tersebut.
25
16/11/2016
Sebaliknya, vinil dan aril halida sulit menjalani reaksi SN. Hibridisasi-sp2 pada C- dan resonans PEB atom halogen memperpendek ikatan C–X sehingga sulit diputus:
Serangan nukleofili dari-belakang untuk reaksi SN2 juga terhalangi oleh bidang ikatan rangkap karbon-karbon:
vinil halida
aril halida
Karbokation fenil (hibridisasi-sp) juga sangat tidak stabil dan pembentukannya dalam reaksi SN1 tidak disukai.
26
16/11/2016
(2) Gugus Pergi
Urutan reaktivitas sama seperti reaksi SN2, karena pemutusan gugus pergi merupakan tahap penentu-laju.
(3) Nukleofili Sifat nukleofili tidak berpengaruh pada reaksi S N1 karena nukleofili tidak terlibat dalam tahap penentu-laju.
2-metil-2-propanol
Laju sama untuk X= Cl, Br, I
(4) Pelarut Reaksi pembentukan karbokation (penentu-laju) endotermik
struktur dan stabilitas KP menyerupai karbokation.
Kemampuan mensolvasi kation membuat pelarut protik polar akan menstabilkan KP dan menurunkan G‡.
Laju reaksi SN1 meningkat dalam pelarut protik polar.
27
16/11/2016
Etanol
40% Air/ 60% Etanol
80% Air/ 20% Etanol
Air
1
100
14 000
100 000
Kemampuan pelarut mengisolasi muatan yang berlawanan atau kation yang telah terpisah dari anion disebut tetapan
dielektrik (). tinggi
pelarut polar tolakan maupun tarikan elektrostatik melemah
Urutan kepolaran: Air HCO2H 59 80
DMSO 49
DMF 37
MeCN 36
MeOH 33
HMPA 30
EtOH aseton AcOH 21 6 24
Air ( = 80) adalah pelarut yang paling efektif untuk mendorong ionisasi, namun kebanyakan senyawa organik sukar larut dalam air. Alkohol atau campuran pelarut seperti metanol-air dan etanol-air lazim digunakan dalam reaksi SN1.
28
16/11/2016
Dalam reaksi SN1, biasanya pelarut sekaligus berperan sebagai nukleofili. Reaksi semacam ini disebut solvolisis. Jika pelarutnya air, disebut hidrolisis; jika pelarutnya metanol, misalnya, disebut metanolisis.
Contoh reaksi solvolisis:
Latihan 4: Ketika tert-butil klorida mengalami solvolisis dalam campuran metanol dan air, laju solvolisis (yang diukur sebagai laju terbentuknya ion bromida dalam campuran) meningkat ketika persentase air dalam campuran diperbesar. (a) Jelaskan hal ini. (b) Berikan penjelasan untuk pengamatan bahwa laju reaksi SN2 etil klorida dengan kalium iodida dalam metanol dan air justru menurun ketika persentase air dalam campuran diperbesar.
Latihan 5: Produk(-produk) apa saja yang Anda ramalkan dari metanolisis turunan sikloheksana berikut:
29
16/11/2016
Contoh Reaksi SN1 di Alam: Biosintesis Geraniol
isopentenil difosfat dimetilalil difosfat
karbokation dimetilalil
geranil difosfat karbokation
karbokation geranil
geraniol
Perbandingan Reaksi SN2 dan SN1 No
Peubah
Reaksi SN2 beberapa ( halangan ruang kecil) Kuat (basa)
Lemah (netral)
1 tahap (serentak)
2 tahap (tahap 1 penentu-laju)
4 Zat antara
Tidak ada (hanya keadaan peralihan)
Karbokation
5 Orde reaksi
Ke-2: v = k [RX][Nu:–]
Ke-1: v = k [RX]
2 Nukleofili 3
Tahapan mekanisme
2o
Reaksi SN1 3o,
1 Substrat
Metil, 1o,
6 Molekularitas Bimolekular
7 Stereokimia 8 Pelarut
alilik, benzilik, beberapa 2o ( karbokation stabil)
Unimolekular
Rasemisasi (karbokation) Inversi > Retensi (psgn. ion) Disukai pada pelarut aprotik Disukai pada pelarut polar, polar terutama yang protik
Inversi konfigurasi Walden
30
16/11/2016
Soal Latihan Problem 11.8 Problem 11.9 Problem 11.10
Soal Latihan Problem 11.11 Problem 11.12 LATIHAN CONTOH 11.2
Soal Latihan Soal Latihan
Problem 11.13
Problem 11.14
LATIHAN CONTOH 11.1
31
16/11/2016
11.4 REAKSI ELIMINASI: ATURAN ZAITSEV Selain menyubstitusi halida, nukleofili dapat berperan sebagai basa Lewis dan mengeliminasi HX dengan reaksi pada hidrogen tetangga.
Hanya ada 1 produk alkena dihasilkan pada setiap reaksi berikut:
Namun, reaksi eliminasi umumnya menghasilkan campuran produk:
2H H
H C C CH2CH3 CH3 2 R gugus R lebih sedikit (kurang tersubstitusi)
H 1 R, 1 H H3C C C CH3 2R
CH3
gugus R lebih banyak (lebih tersubstitusi)
32
16/11/2016
Ada 2 aturan untuk meramalkan produk utama:
(1a) Aturan Zaitsev (= Zaitzev, Saytzeff, Saytseff, Saytzev; 1875) Dengan basa berukuran kecil seperti ion etoksida atau hidroksida, produk utama ialah alkena yang lebih tersubstitusi, karena lebih stabil (Bab 6).
(1b) Aturan Hoffmann Dengan basa meruah seperti ion tert-butoksida, faktor sterik menyebabkan alkena yang kurang tersubstitusi lebih dominan.
Nukleofilisitas biasanya sejalan dengan kebasaan, misalnya OH– > CH3CO2– > H2O
Nukleofilisitas: afinitas terhadap atom karbon dalam reaksi SN2 (bergantung pada substrat, pelarut, dan bahkan konsentrasi reaktan) Kebasaan: afinitas terhadap proton
33
16/11/2016
11.5 REAKSI E2: Eliminasi Bimolekular Mekanisme E2 berlangsung 1 tahap tanpa zat antara, analog dengan reaksi SN2. Dengan basa kuat (HO–, RO–), ikatan C–H dan C–X putus bersamaan disertai pembentukan ikatan C=C.
keadaan transisi
Mekanisme ini paling sering dijumpai pada eliminasi alkil halida. Bukti-bukti mekanistik:
(1) Studi kinetika menunjukkan bahwa basa dan alkil halida ambil bagian dalam tahap penentu-laju.
v k RXB :
REAKSI ORDE-KEDUA
(2) Teramati efek isotop deuterium: Eliminasi HBr berlangsung ~ 7x lebih cepat daripada eliminasi DBr ikatan C–H (C–D) diputus pada tahap penentu-laju. Catatan: Ikatan C–H ~ 5 kJ mol-1 lebih lemah daripada C–D.
1-Bromo-2-feniletana bereaksi 7,11 kali lebih cepat daripada 1bromo-2,2-dideuterio-2-feniletana
(3) Bukti stereokimia: Reaksi E2 berlangsung dengan geometri periplanar (atau koplanar), artinya 4 atom yang bereaksi – H -C -C-X sebidang. Geometri sebidang ini paling memudahkan tumpang-tindih orbital-orbital sp3 dalam ikatan C–H dan C–X reaktan menjadi orbital-orbital p dalam produk alkena.
34
16/11/2016
Ada 2 kemungkinan geometri periplanar: geometri anti periplanar (H dan X silang, energi rendah)
analog serangan dari-belakang pada reaksi SN2 (gugus datang & pergi 180o)
geometri sin periplanar (H dan X tindih, energi tinggi)
anti periplanar
keadaan peralihan
alkena
Konfigurasi stereokimia dari produk alkena ditentukan oleh geometri anti periplanar ini: Reaksi E2 stereospesifik.
meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletana (geometri anti periplanar)
(E)-1-bromo-1,2-difeniletilena (tidak terbentuk isomer Z)
35
16/11/2016
Pada konformasi kursi, TS anti koplanar hanya terjadi jika H dan L berposisi trans-diaksial:
Contoh menarik ditemui dalam reaksi E2 pada 2 isomer berikut:
Pada konformasi lebih stabil dari neomentil klorida, 2 gugus alkil ekuatorial dan atom klorin aksial. Akan terdapat 2 atom H aksial. Keduanya dapat diserang oleh basa secara anti periplanar. 1-Mentena yang lebih tersubstitusi menjadi produk utama (aturan Zaitsev).
36
16/11/2016
Di sisi lain, konformasi lebih stabil dari mentil klorida memiliki 3 gugus di posisi ekuatorial. Agar klorin aksial, gugus isopropil yang besar dan juga metil harus aksial. (a) Konformasi ini tidak stabil reaksi E2 berjalan 200x lebih lambat daripada neomentil klorida. (b) 1-Mentena tidak terbentuk, karena H yang berhubungan ekuatorial 2-mentena (produk Hoffmann) menjadi satu-satunya produk.
11.6 REAKSI E1: Eliminasi Unimolekular Mekanisme E1 diawali disosiasi unimolekular ikatan C–X seperti pada reaksi SN1, tetapi tahap selanjutnya ialah penyingkiran H+ dari karbon tetangga oleh basa.
cepat
lambat
karbokation
Karena melalui zat antara yang sama, yaitu karbokation, reaksi E1 biasanya disertai reaksi SN1. Campuran produk hampir selalu diperoleh dengan produk SN1 mendominasi E1 untuk alkil halida.
2-kloro-2-metilpropana
2-metil-2-propanol (64%)
metilpropena (36%)
37
16/11/2016
Bukti-bukti mekanistik: (1) Kinetika reaksi orde-pertama, tanpa efek isotop deuterium. Mengapa? (2) Pada kondisi E1 dalam pelarut polar, mentil klorida menghasilkan campuran alkena dengan produk Zaitsev, 3-mentena, dominan.
mentil klorida
2-mentena (100%)
2-mentena (32%)
3-mentena (68%)
11.7 REAKSI E1cB
Karbanion
38
16/11/2016
LATIHAN CONTOH 11.3
LATIHAN CONTOH 11.4
Soal Latihan
Soal Latihan
Problem 11.15 Problem 11.16
Problem 11.17 Problem 11.18
Soal Latihan Problem 11.19
Anion yang terstabilkan resonansi
39
16/11/2016
Krotonil tioester
3-hidroksibutiril tioester
C. SUBSTITUSI VERSUS ELIMINASI Semua nukleofili berpotensi sebagai basa dan semua basa berpotensi sebagai nukleofili, sebab bagian reaktif dari keduanya sama-sama pasangan elektron bebas. Karena itu, tidak mengherankan jika reaksi substitusi nukleofilik dan eliminasi sering bersaing satu sama lain. C. 1. SN2 versus E2 Reaksi SN2 dan E2 keduanya disukai oleh nukleofili atau basa kuat dengan konsentrasi tinggi. Jika nukleofili (basa) menyerang atom hidrogen , terjadi eliminasi. Jika yang diserang atom karbon-, terjadi substitusi:
40
16/11/2016
Dengan nukleofili atau basa kuat yang kecil (tak terhalangi) seperti ion etoksida Jika substratnya halida primer, SN2 sangat disukai karena karbon- mudah didekati.
Dengan halida sekunder, halangan sterik substrat yang lebih besar membuat SN2 lebih sulit. Basa lebih mudah mengambil atom hidrogen yang letaknya di tepi, maka E2 dominan.
Dengan halida tersier, halangan sterik substrat begitu besarnya sehingga reaksi SN2 tidak dapat terjadi. Eliminasi sangat disukai, terutama jika suhu reaksi tinggi. Mekanisme E2 lebih dominan daripada E1 (yang juga terjadi karena stabilitas karbokation 3o). Substitusi, apabila terjadi, harus berlangsung melalui mekanisme SN1.
Mengapa menaikkan suhu meningkatkan proporsi eliminasi (E1 dan E2) terhadap substitusi? Reaksi eliminasi menambah jumlah molekul produk dibandingkan dengan reaktan. Misalnya, 2 molekul reaktan menjadi 3 molekul produk dalam contoh berikut:
CH3O– + (CH3)3CBr CH2=C(CH3)2 + CH3OH + Br– Sementara pada reaksi substitusi, jumlah molekul produk akan sama banyak dengan reaktan, misalnya CH3O– + CH3CH2Br CH3CH2OCH3 + Br–
41
16/11/2016
Menurut hukum termodinamika II, reaksi berjalan spontan ke arah ketidakteraturan, yang dinyatakan dengan perubahan entropi positif, So > 0. Bertambahnya molekul pada reaksi eliminasi meningkatkan ketidakteraturan sistem. Karena itu, reaksi ini lebih disukai secara entropi daripada substitusi. Sesuai persamaan energi-bebas Gibbs Go = Ho – TSo, pengaruh entropi ini semakin besar ketika suhu dinaikkan. Akibatnya eliminasi makin disukai pada suhu tinggi. Cara lain meningkatkan proporsi eliminasi ialah menggunakan basa kuat yang meruah seperti ion tert-butoksida. Halangan ruang yang besar dari gugus-gugus metil menghambat ion tert-butoksida untuk mengakses atom karbon- dari substrat 1o sekalipun. Misalnya,
Dengan basa tak-meruah, CH3O– dalam CH3OH, produk SN2 mencapai 99%. Hanya 1% produk E2 meskipun suhu reaksi yang digunakan lebih tinggi (65 oC). Faktor lain yang memengaruhi laju relatif SN2 dan E2 ialah kebasaan (dan polarisabilitas) relatif dari basa/nukleofili: Basa kuat (yang sedikit terpolarisasi) seperti ion amida (NH2–) atau ion alkoksida (khususnya yang terhalangi) cenderung meningkatkan eliminasi (E2). Basa lemah seperti ion klorida (Cl– ) atau ion asetat (CH3CO2–) atau basa lemah (yang sangat terpolarisasi) seperti Br–, I–, atau RS– hampir 100% melalui jalur SN2. Reaksi ion asetat dengan isopropil bromida, misalnya, menghasilkan CH3CO2CH(CH3)2 secara hampir kuantitatif (~100%), sedangkan reaksi ion etoksida dengan senyawa yang sama terutama menghasilkan propena.
42
16/11/2016
C. 2. Halida Tersier: SN1 versus E1 Reaksi SN1 dan E1 berlangsung melalui zat antara yang sama. Karena itu, respons keduanya serupa terhadap faktor-faktor yang memengaruhi reaktivitas, dan selalu bersaing. Substrat yang dapat membentuk karbokation stabil (halida 3o) menyukai reaksi ini. Demikian pula jika digunakan nukleofili (basa) lemah dan pelarut protik polar. Dalam kebanyakan reaksi unimolekular alkil halida, reaksi SN1 mendominasi E1, khususnya pada suhu rendah. Namun, reaksi substitusi halida 3o tidak banyak digunakan sebagai metode sintetik, karena terlalu mudah mengalami eliminasi. Meningkatkan suhu sedikit memperbesar proporsi E1 dengan menurunkan proporsi SN1 (dengan SN1 tetap dominan). Namun, lebih lazim menambahkan basa kuat dan mendorong berlangsungnya reaksi E2 jika produk eliminasi yang diinginkan.
Contoh: Produk(-produk) apa yang Anda harapkan dalam setiap reaksi berikut? Sebutkan mekanisme (SN1, SN2, E1, atau E2) yang membentuk tiap produk dan ramalkan jumlah relatifnya (misalnya, apakah produk itu satu-satunya produk, produk utama, atau produk tambahan).
43
16/11/2016
Jawaban: Substratnya halida 1o. Basa/nukleofilinya CH3O–, basa kuat tak-meruah sekaligus nukleofili yang baik. Reaksi SN2 akan mendominasi dengan produk utama CH3CH2CH2OCH3. Produk tambahan CH3CH=CH2 dihasilkan melalui jalur E2. Perbedaan dari soal (a) ialah basanya kuat dan meruah, maka di sini produk E2 (CH3CH=CH2) akan mendominasi produk SN2 (CH3CH2CH2OCH3). Reaktan, (S)-2-bromobutana, adalah halida 2o dengan gugus pergi terikat pada pusat kiral. Basa/ nukleofilinya HS–, nukleofili kuat, tetapi basa lemah (bdk HO– ). Reaksi SN2 dengan inversi konfigurasi akan hampir 100%, menghasilkan (R)2-butanatiol:
Basa/nukleofilinya OH–, basa sekaligus nukleofili kuat. Namun, substratnya halida 3o dan reaksi SN2 tidak diharapkan akan terjadi. Produk satu-satunya, CH3CH=C(CH2CH3)2 diperoleh dari reaksi E2. Ini adalah reaksi solvolisis (metanolisis): satu-satunya basa/nukleofili ialah pelarut, CH3OH, yang merupakan basa sekaligus nukleofili lemah. Substratnya 3o, maka reaksi SN1 yang menghasilkan CH3OC(CH2CH3)3 akan mendominasi reaksi E1 yang menghasilkan CH3CH=C(CH2CH3)2.
44
16/11/2016
Latihan 6: Produk(-produk) apa yang Anda harapkan dalam setiap reaksi berikut? Gambarkan mekanisme (SN1, SN2, E1, atau E2) yang membentuk tiap produk dan ramalkan jumlah relatifnya (misalnya, apakah produk itu satu-satunya produk, produk utama, atau produk tambahan).
Latihan 7: Dalam eksperimen persaingan, 2 reaktan dengan konsentrasi yang sama (atau 1 reaktan dengan 2 tapak aktif) bersaing untuk pereaksi tertentu. Ramalkan produk utama yang dihasilkan dari setiap eksperimen persaingan berikut dan gambarkan mekanisme reaksi yang terjadi:
45
16/11/2016
46
16/11/2016
47
16/11/2016
48
