Substitusi Nukleofilik dan Eliminasi
Based on McMurry’s Organic Chemistry, 7th edition
Alkil halida bereaksi dengan nukleofil dan basa Alkil halida terpolariasi pada ikatan karbon – halida
menjadikan karbon elektrofilik Nukleofil akan menggantikan posisi halida pada ikatan C-X dari berbagai alkil halida( reaksi sebagai basa Lewis) Nukleofil yang basa Brønsted menghasilkan eliminasi
2
Materi bagian ini …… Substitusi nukleofilik, eliminasi yang
disebabkan basa adalah reaksi yang banyak terjadi pada berbagai reaksi senyawa organik Reaksi akan diuji untuk mengetahui : - Bagaimana terjadinya reaksi - Apa karakteristik reaksi - Bagaimana dapat digunakan
3
Penemuan Reaksi Substitusi Nukleofilik Tahun 1896, Walden melihat bahwa asam (-)-malat
dapat dirubah menjadi asam (+)-malat melalui tahapan reaksi kimia dengan pereaksi a-kiral Penemuan ini yang mengaitkan hubungan langsung putaran optik dengan kekiralan dan perubahannya melalui alterasi kimia
Reaksi asam (-)-malat dengan PCl5 menghasilkan asam (+)-klorosuksinat Reaksi lebih lanjut dengan perak oksida dalam air menghasilkan asam (+)-malat Tahapan reaksi diawali dengan asam (+) malat menghasilkan asam (-)-malat
4
Reaksi inversi Walden
5
Signifikansi inversi Walden Reaksi alterasi terjadi pada pusat kiral Reaksi melibatkan substitusi pada pusat kiral Jadi, substitusi nukleofilik dapat menginversi
konfigurasi pada pusat kiral Adanya gugus karboksil pada asam malat menimbulkan perdebatan mengenai sifat reaksi siklus Walden
6
Reaksi SN2 Reaksi yang melibatkan inversi pada pusat reaksi Mengikuti kinetika reaksi orde kedua Tatanama Ingold menerangkan tahapan reaksi:
S=substitusi N (subscript) = nukleofilik 2 = keduanya nukleofil dan substrat berada dalam tahapan yang karakteristik (bimolekular)
7
Kinetika Substitusi Nukleofilik Kecepatan (V) berubah menurut konsentrasi
terhadap waktu Tergantung pada konsentrasi, suhu, sifat reaksi (penghalang pada energi permukaan) Hukum kecepatan menerangkan hubungan antara konsentrasi reaktan dan konversi terhadap produk Konstanta kecepatan (k) adalah faktor proporsionalitas antara konsentrasi dan kecepatan Example: for S converting to P V = d[S]/dt = k [S] 8
Kinetika Reaksi Kajian kinetika reaksi disebut kinetika Kecepatan berkurang dengan menurunnya
konsentrasi tetapi konstanta kecepatan tidak Satuan kecepatan: [konsentrasi]/waktu sebagai L/ (mol x s) Hukum kecepatan adalah mekanisme reaksi Orde raksi adalah jumlah eksponen konsentrasi dalam hukum kecepatan – misalnya orde kedua
9
Proses SN2 Reaksi melibatkan keadaan transisi dimana kedua
reaktan berada bersama-sama
10
Keadaan Transisi SN2 Keadaan transisi reaksi SN2 memiliki susunan atom
karbon planar dari sisa tiga gugus
11
Karakteristik reaksi SN2 Sensitif terhadap efek sterik Metil halida paling reaktif Selanjutnya alkil halida primer adalah yang
paling reaktif Alkil halida sekunder masih dapat bereaksi Yang tersier tidak reaktif Tidak terjadi reaksi pada C=C (vinyl halida)
12
Pengaruh reaktan dan tingkat energi keadaan transisi terhadap kecepatan reaksi Makin tinggi tingkat energi reaktan (kurva merah) = reaksi makin cepat (ΔG‡ lebih kecil). Makin tinggi tingkat energi keadaan transisi (kurva merah) = reaksi makin lambat (ΔG‡ lebih besar) 13
Efek Sterik reaksi SN2
Atom karbon pada (a) bromometana siap diakses untuk menghasilkan reaksi SN2 yang cepat. Atom karbon pada (b) bromoetana (primer), (c) 2-bromopropana (sekunder), dan (d) 2-bromo-2-metilpropana (tersier) adalah lebih sesak, sehingga reaksi SN2 lebih lambat.
14
Orde Reaksi pada SN2 Semakin banyak gugus alkil yang terikat pada karbon
pusat reaksi, reaksi lebih lambat
15
Nukleofil Basa Lewis netral atau bermuatan negatif Koordinasi reaksi meningkat pada nukleofil
Nukleofil netral mengakuisisi muatan positif Nukleofil anionik menjadi netral
16
Kereaktifan relatif Nukleofil Tergantung pada reaksi dan kondisi Makin basa nukleofil semakin cepat reaksi Nukleofil semakin baik kalai semakin ke bawah pada
golongan dalam sistem berkala Anion biasanya lebih reaktif dari nukleofil netral
17
Gugus lepas Gugus lepas yang baik mengurangi halangan reaksi Anion stabil adalah basa lemah yang biasanya gugus
lepas yang sangat baik dan dapat mendelokalisasi muatan
18
Gugus Lepas Jelek Jika suatu gugus sangat basa atau sangat kecil, ia
akan menghalangi reaksi
Alkil fluorida, alkohol, eter dan amina tidak cendrung
mengalami reaksi SN2.
19
Pelarut Pelarut yang dapat mendonasikan ikatan hidrogen (-
OH atau –NH) memperlambat reaksi SN2 melalui asosiasi dengan reaktan Energi dibutuhkan untuk memecah interaksi antara reaktan dan pelarut Pelarut polar aprotik (bukan NH, OH, SH) membentuk interaksi lebih lemah dengan substrat dan mengizinkan reaksi lebih cepat
20
Reaksi SN1 Alkil halida tersier bereaksi cepat dalam pelarut protik
melalui mekanisme yang melibatkan pembebasan gugus lepas sebelum terjadi addisi nukleofil Disebut reaksi SN1 – terjadi dalam dua tahap sedangkan SN2 terjadi dua tahapan dalam waktu yang sama Jika nukleofil ada dalam konsentrasi yang wajar (atau itu adalah pelarut), maka ionisasi adalah langkah paling lambat
21
Diagram Energi SN1
V = k[RX]
Tahap penentu kecepatan adalah pembentukan
karbokation
22
Tahap pembatasan-laju reaksi Laju reaksi keseluruhan dikendalikan oleh laju
langkah paling lambat Laju reaksi tergantung pada konsentrasi spesies dan konstanta laju pada setiap langkah Energi keadaan transisi tertinggi pada diagram adalah yang langkah penentu laju (yang tidak selalu berpenghalang tertinggi)
23
Stereokimia reaksi SN1 Intermediet yang planar menghilangkan kekiralan
Karbokation bebas adalah akiral Produk reaksi adalah rasemat atau beberapa ada yang mengalami inversi
24
Realitas SN1 Karbokation bias bereaksi pada sisi yang berlawanan
dengan sisi gugus lepas Reaksi yang terjadi disarankan dengan karbokation yang berjarak dengan gugus pergi selama terjadi adisi nukleofilik Alternatif bahwa terjadi SN2 tidak mungkin
25
Efek pembentukan pasangan ion Jika gugus lepas tetap berasosiasi, maka produk
cendrung inversi dari retensi Produk hanya rasemat parsial dengan cendrung inversi dari retensi Assosiasi karbokation dan gugus lepas adalah pasangan ion
26
Karakteristik Reaksi SN1 Substrat Alkil halida tersier adalah yang paling reaktif pada mekanisme ini Reaksi dikontrol oleh kestabilan karbokation Menurut postulat Hammond,”Setiap faktor yang menstabilkan intermediet berenergi tinggi akan menstabilkan keadaan transisi mengarah ke intermediet”
27
Allylik dan Halida Benzylik Intermediet Allylik dan benzylik ditsabilkan oleh
delokalisasi muatan Allylik dan benzylik primer lebih reaktif pada mekanisme SN2
28
Efek gugus lepas pada SN1 Secara kritik tergantung pada gugus lepas
Kereaktifan: ion halida yang lebih besar merupakan gugus lepas yang lebih baik Dalam asam, OH alkohol diprotonasi dan gugus lepas adalah H2O, yang masih kurang reaktif dibandingkan halida p-Toluensulfonat (TosO-) adalah gugus lepas yang baik
29
Nukleofil pada SN1 Bila adisi nuleofilik terjadi setelah
pembentukan karbokation, laju reaksi biasanya tidak dipengaruhi oleh konsentrasi nukleofil
30
Pelarut pada SN1 Menstabilkan karbokation juga menstabilkan
keadaan transisi dan kontrol jalu reaksi Efek pelarut pada reaksi SN1 sebagian besar untuk menstabilkan atau mendestabilkan keadaan transisi
31
Pelarut polar memudahkan Ionisasi Pelarut polar, protik dan basa Lewis tidak reaktif
memudahkan terbentuknya R+ Kepolaran pelarut diukur sebagai polarisasi dielectrik (P) Pelarut nonpolar mempunyai P rendah Pelarut polar mempunyai P tinggi
32
Reaksi Substitusi Biologikal Reaksi SN1 dan SN2 terjadi juga pada kimia
biologikal Tidak seperti yang di laboatorium, substrat pada substitusi biologikal sering berupa organodifosfat dari pada alkil halida
33
Reaksi Eliminasi Alkil Halida: Aturan Zaitsev Eliminasi adalah jalur alternatif ke substitusi Berlawanan dengan reaksi adisi Menghasilkan alkena Dapat berkompetisi dengan substitusi dan
menurunkan jumlah produk, khususnya untuk SN1
34
Aturan Zaitsev untuk reaksi Eliminasi Pada eliminasi HX dari alkil halida, produk alkena
yang lebih tersubstitusi adalah produk yang dominan
35
Mekanisme reaksi Eliminasi Tatanama Ingold: E – “eliminasi” E1: pertama X- lepas membentuk karbokation
suatu basa abstrak proton dari karbokation E2: Transfer terpadi proton ke suatu basa dan perginya gugus lepas
36
Reaksi E2 dan efek isotop Deuterium Proton ditransfer ke
basa sebagai gugus lepas awal Keadaan transisi terjadina lepasnya X dan transfer H Alkana yang dihasilkan stereospesifik
37
Geometri Eliminasi – E2 Antiperiplanar memungkinkan orbital bertumpang-
tindih dan meminimalkan interaksi efek sterik
38
Stereokimia E2 Tumpang tindih orbital π pada keadaan transisi
membutuhkan geometri periplanar, anti penataan
39
Prediksi Produk E2 adalah stereospesifik Meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletana dengan basa
menghasilkan cis 1,2-difenil RR atau SS 1,2-dibromo-1,2-difeniletana menghasilkan trans 1,2-difenil
40
Reaksi E2 dan pembentukan sikloheksana Proton diambil dan gugus lepas harus
menyesuaikan trans-diaksial menjadi anti periplanar (app) mendekati keadaan transisi Gugus equatorial tidak benar-benar sejajar
41
Reaksi E1 dan E1cB Berkompetisi dengan SN1 dan E2 pada pusat 3° V = k [RX], sama denga SN1
42
Perbandingan E1 dan E2 Basa kuat dibutuhkan untuk E2 tapi tidak untuk E1 E2 stereospesifik, E1 tidak E1 menghasilkan orientasi Zaitsev
43
Reaksi E1cB Berlangsung melalui intermediet karbanion
44
Reaksi Eliminasi Biologikal Ketiga reaksi eliminasi terjadi dalam makhluk
hidup E1cB sangat umum Contoh spesifik terjadi pada biosintesis lemak bila 3-hidroksi butiril thioester di dehidrasi menghasilkan thioester nya
45
Ringkasan Kereaktifan: SN1, SN1, E1,E1cB, E2 Alkil halida mengalami berbagai reaksi berbeda yang
berkompetisi, tergantig pada reaksi molekul dan kondisi Berdasarkan polanya, dapat diprediksi produknya
46
bon courage..... et a la prochaine cours... 47
