Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan Alkana, mahasiswa memahami dan menjelaskan struktur, sifat fisis, kegunaan, dan reaksi-reaksi yang dapat terjadi pada senyawa alkana.
Atom karbon dalam senyawa alkana memiliki orbital hibrida sp3
Setiap atom karbon dapat membentuk 4 ikatan tunggal dengan atom lain (C, H, O, N, S). Jumlah ikatan yang dapat dibentuk adalah maksimum, sehingga senyawa yang terbentuk disebut senyawa jenuh.
CH4
C2H6
Alkana adalah senyawa hidrokarbon yang hanya memiliki ikatan tunggal. Struktur alkana dapat ditulis sebagai serangkaian gugus CH2 (gugus metilen) yang tiap ujungnya diakhiri dengan atom hidrogen. Ini merupakan rumus umum untuk senyawa alkana rantai kontinyu / tak bercabang.
Senyawa kelompok ini hanya berbeda pada jumlah gugus metilen yang dimilikinya. Jika suatu molekul alkana memiliki n atom C, maka jumlah atom H adalah (2n + 2), sehingga rumus molekul untuk alkana secara umum adalah CnH2n+2. Untuk senyawa alkana bercabang, juga mengikuti rumus molekul CnH2n+2.
NOMENKLATUR (IUPAC) Aturan 1: Rantai utama • Tentukan rantai kontinyu atom karbon yang terpanjang, dan gunakan nama rantai ini sebagai nama dasar senyawa tsb. • Gugus yang terikat pada rantai utama disebut substituen, karena mengganti (substitute) atom hidrogen pada rantai utama. • Jika ada 2 rantai terpanjang dengan panjang yang sama, maka gunakan rantai terpanjang yang memiliki jumlah substituen terbanyak sebagai rantai utama.
Aturan 2: Penomoran rantai utama • Untuk menentukan lokasi substituen, beri nomor tiap atom karbon pada rantai utama, dimulai dari ujung rantai yang paling dekat dengan substituen.
Aturan 3: Memberi nama substituen • Beri nama gugus substituen yang terikat pada rantai terpanjang sebagai gugus alkil. • Beri lokasi tiap gugus alkul dengan menggunakan nomor atom karbon pada rantai utama tempat gugus tsb terikat.
• Gugus alkil bercabang sederhana biasanya dikenal dengan nama umum. • Gugus isopropil dan issobutil memiliki gugus khas “iso” (CH3)2CH, seperti gugus yang ada dalam isobutana.
• Nama gugus secondary-butyl (sec-butyl) dan tertiary-butyl (tertbutyl atau t-butyl) adalah berdasarkan derajat substitusi alkil pada atom karbon. • Dalam gugus sec-butyl, atom karbon yang terikat pada rantai utama adalah atom sekunder (2°), atau terikat pada dua atom karbon lain. • Dalam gugus t-butyl, atom karbon yang terikat pada rantai utama adalah atom tersier (3°), atau terikat pada tiga atom karbon lain. Dalam gugus n-butyl group dan isobutyl, atom karbon yang terikat pada rantai utama adalah atom primer (1°), atau terikat pada satu atom karbon lain.
Aturan 4: Organizing Multiple Groups • Jika ada 2 atau lebih substituen, urutkan sesuai abjad. • Jika ada 2 atau lebih substituen alkil yang sama, gunakan awalan di-, tri-, tetra-, dst. untuk menghindari penggunaan nama gugus yang sama lebih dari satu kali..
(FRAKSI MINYAK BUMI) JML C
TITIK DIDIH (C)
1–2 2–4
< 30
4–9 8 – 16 10 – 18
30 – 180 160 – 230 200 – 320
16 – 30 > 25 > 35
300 – 450 > 300 (vakum) Residu
KEGUNAAN
LNG • LPG • Pengganti Freon sebagai propellan dalam tabung “spray” Gasoline Kerosene Diesel Heavy oil Paraffin wax asphalt
Mengapa senyawa alkana tidak reaktif? Alkana = paraffin (parum affinis = little affinity)
Ikatan yang kuat
C2H6
• Elektron antara C dan H terdistribusi dengan merata. • tidak ada satupun atom yang memiliki muatan signifikan. • Senyawa alkana tidak memiliki elektrofil maupun nukleofil. • Pada kondisi biasa tidak dapat bereaksi dengan asam kuat (H2SO4), oksidator (Br2, O2, KMnO4)
• Pada temperatur tinggi semua senyawa hidrokarbon jenuh (alkana) dapat bereaksi dengan oksigen (reaksi pembakaran). • Jika jumlah oksigen cukup berlebihan, maka reaksi pembakaran dapat berlangsung sempurna dengan hasil pembakaran berupa H2O dan CO2. panas
CnH(2n+2) + O2 (excess) n CO2 + (n+1) H2O Contoh: panas
CH3CH2CH3 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O
Cracking adalah reaksi pemecahan senyawa alkana besar hingga dihasilkan senyawa yang lebih kecil. Proses cracking biasanya dilangsungkan pada kondisi yang memungkinkan dihasilkan sebanyak mungkin gasoline. Dalam proses hydrocracking, hidrogen ditambahkan untuk menghasilkan hidrokarbon jenuh.
Cracking tanpa hidrogen akan menghasilkan campuran alkana dan alkena.
Alkana dapat bereaksi dengan halogen (F2, Cl2, Br2, I2) menghasilkan alkil halida.
Urutan reaktifitas: F2 > Cl2 > Br2 > I2 Reaksi dengan I2 berlangsung sangat lambat.
Reaksi alkana dengan Cl2 dan Br2 berlangsung tidak seberapa cepat sehingga mudah dikendalikan. Reaksi alkana dengan F2 berlangsung sangat cepat sehingga sulit dikendalikan.
A. MEKANISME REAKSI 1. Inisiasi Pemecahan homolisis terhadap molekul klorin menjadi 2 atom klorin, yang disebabkan oleh radiasi biru (diberi simbol h).
Atom klorin memiliki satu elektron yang tidak berpasangan, dan berlaku sebagai suatu radikal bebas.
Mengapa sinar biru dapat memecah Cl2? • Untuk memecah molekul klorin (Cl2) menjadi 2 atom klorin (Cl) diperlukan energi sebesar 242 kJ/mol • Energi dari satu photon sinar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: E = hv = 250 kJ per mol photon dengan
h = konstanta Planck v = frekuensi
2. Propagasi berantai (2 tahap)
Ketika radikal klorin bertumbukan dengan molekul metana, maka satu atom hidrogen ditarik dari metana, sehingga dihasilkan HCl dan radikal metil.
Radikal metil bereaksi dengan molekul klorin membentuk klorometana dan radikal klorin yang baru.
Radikal klorin ini akan kembali bertumbukan dan bereaksi dengan moleuk metana, membentuk HCl dan radikal metil. Dan seterusnya akan terjadi reaksi berantai
3. Terminasi Rekombinasi 2 radikal bebas:
Reaksi secara keseluruhan CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
• Untuk memaksimalkan jumlah produk monohalogen, reaksi substitusi radikal harus dijalankan dengan alkana yang berlebihan. • Kelebihan alkana dalam sistem reaksi akan meningkatkan probabilitas tumbukan antara radikal halogen dengan alkana daripada dengan alkil halida. • Untuk metana dan etana, semua atom hidrogen adalah ekivalen dan memiliki kesempatan yang sama untuk diganti/disubstitusi dengan halogen. • Untuk propana dan alkana yang lebih besar, hidrogen yang merupakan bagian dari gugus CH2 (atau CH) adalah hidrogen yang lebih mudah disubstitusi. • Reaktivitas halogen bervariasi dengan kecepatan reaksi relatif masing-masing: fluorin (108) > klorin (1) > bromin (7×10−11) > iodin (2×10−22).
B. KLORINASI Faktor-faktor yang menentukan distribusi produk Klorinasi terhadap butana akan menghasilkan 2 alkil halida:
1. Substitusi satu hidrogen yang terikat pada karbon di ujung akan menghasilkan 1-klorobutana, 2. Substitusi satu hidrogen yang terikat pada karbon di tengah akan menghasilkan 2-klorobutana. Cl ׀ CH3CH2CH2CH3 + Cl2 CH3CH2CH2CH2Cl + CH3CH2CHCH3 + HCl butana
1-klorobutana
Diharapkan = 60% Percob = 29%
2-klorobutana
Diharapkan = 40% Percob = 71%
• Distribusi produk yang diharapkan adalah 60% 1-klorobutana dan 40% 2-klorobutana karena 6 dari 10 hidrogen dari butana dapat disubstitusi membentuk 1-klorobutana, sementara hanya 4 hidrogen yang dapat disubstitusi untuk membentuk 2klorobutana.
• Hasil percobaan di lab: 29% 1-klorobutanae dan 71% 2klorobutana. • Dapat disimpulkan bahwa lebih mudah untuk mengganti hidrogen dari karbon sekunder daripada dari karbon primer.
• Radikal alkil memiliki stabilitas yang berbeda-beda. • Semakin stabil suatu radikal, maka radikal tersebut semakin mudah terbentuk.
• Lebih mudah untuk mengambil hidrogen dari karbon sekunder untuk membentuk radikal sekunder daripada mengambil hidrogen dari karbon primer untuk membentuk radikal primer. R ׀ Paling R – C stabil ׀ R Radikal tersier
R ׀ R – C ׀ H Radikal sekunder
H ׀ R – C ׀ H Radikal primer
H Paling ׀ tidak H – C stabil ׀ H Radikal metil
Ketika radikal klorin bereaksi dengan butana, radikal tersebut dapat mengambil atom hidrogen dari atom karbon dalam, sehingga dihasilkan radikal alkil sekunder. Radikal klorin juga dapat mengambil atom hidrogen dari karbon terluar, sehingga akan terbentuk radikal alkil primer.
Karena lebih mudah untuk membentuk radikal alkil sekunder yang lebih stabil, maka 2-klorobutana lebih cepat terbentuk daripada 1klorobutana.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada temperatur kamar: • radikal klorin 5 kali lebih mudah mengambil atom hidrogen dari karbon tersier daripada atom hidrogen dari karbon primer.
• radikal klorin 3,8 kali lebih mudah mengambil atom hidrogen dari karbon sekunder daripada atom hidrogen dari karbon primer. Kecepatan relatif pembentukan radikal alkil oleh radikal klorin pada temperatur kamar:
Untuk menentukan jumlah relatif dari masing-masing produk yang diperoleh pada klorinasi radikal terhadap senyawa alkana, maka kita harus memperhitungkan • probabilitas (jumlah hidrogen yang dapat diambil) • Reaktifitas (kecepatan reaksi relatif) Contoh perhitungan hasil klorinasi radikal terhadap n-butana:
Jumlah = 21
H H H H ׀ ׀ ׀ ׀ H– C – C – C – C – H ׀ ׀ ׀ ׀ H H H H
H H H H ׀ ׀ ׀ ׀ H– C – C – C – C – H ׀ ׀ ׀ ׀ H H H H
Jumlah atom H pada C primer = 6 Reaktivitas relatif = 1,0 Jumlah relatif radikal primer = 6 1,0 = 6,0
Jumlah atom H pada C sekunder= 4
Reaktivitas relatif = 3,8 Jumlah relatif radikal sekunder = 4 3,8 = 15,2
Jumlah relatif semua radikal = 6,0 + 15,2 = 21,2
% relatif 1-klorobutana (berasal dari radikal primer):
6 ,0 100% 28 ,3% 21,2 % relatif 2-klorobutana (berasal dari radikal sekunder)
15,2 100% 71,7% 21,2
C. BROMINASI Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada temperatur 125C: • radikal bromin 1600 kali lebih mudah menarik atom hidrogen dari karbon tersier daripada atom hidrogen dari karbon primer.
• radikal bromin 82 kali lebih mudah menarik atom hidrogen dari karbon sekunder daripada atom hidrogen dari karbon primer. Kecepatan relatif pembentukan radikal alkil oleh radikal klorin pada temperatur 125C:
Contoh perhitungan hasil klorinasi radikal terhadap n-butana:
Jumlah relatif 1-bromobutana = 6 1,0 =
6,0
Jumlah relatif 2-bromobutana = 4 82,0 = 328,0 Jumlah total = 334,0 % yield 1-bromoalkana =
6 ,0 100% 1,8% 2% 334 ,0
328 ,0 100% 98 ,2% 98% % yield 1-bromoalkana = 334 ,0
Jumlah relatif 1-bromo-2,2,5-trimetilheksana = 9 1,0
=
9,0
Jumlah relatif 1-bromo-2,5,5-trimetilheksana = 6 1,0
=
6,0
Jumlah relatif 3-bromo-2,2,5-trimetilheksana = 2 82,0
= 164,0
Jumlah relatif 3-bromo-2,5,5-trimetilheksana = 2 82,0
= 164,0
Jumlah relatif 2-bromo-2,5,5-trimetilheksana = 1 1600,0 = 1600,0 Jumlah total = 334,0
1600 100% 82% % yield 2-bromo-2,5,5-trimetilheksana = 1943
1. Tulis mekanisme pembentuk karbon tetraklorida, CCl4, sebagai hasil dari reaksi antara metana dengan Cl2 dengan bantuan sinar. 2. Berapa macam dan jumlah relatif alkil halida yang dapat diperoleh dari monoklorinasi terhadap: a.
d.
b.
e.
c.
f.
