LAPORAN PRAKTIKUM KOMPUTASI KIMIA

STABILITAS KARBOKATION DAN HIPERKONJUGASI

DisusunOleh:

Gemilia Gladira (F1C113007)

Maya Dina Asyri (F1C113029)

Yesinia Anjani (F1C113031)

Nurul Amini (F1C113061)

Meta Andriani (F1C113063)

DosenPembimbing :

DiahMastutikS.Pd.,M.Si.

PROGRAM STUDI KIMIA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS JAMBI

2015

STABILITAS KARBOKATION DAN HIPERKONJUGASI

I. Tujuan

Mengkajistabilitasbeberapakarbokationdanpengaruhhiperkonjugasiterhadappa

njangikatandankerapatanmuatanmenggunakanperhitungansemiempiris AM1

II. LatarBelakang

Karbokation menunjukkan satu dari sangat penting dan sering dijumpai dari

jenis zat antara yang terlibat dalam reaksi senyawa organik. Stabilitas relatif

karbokation dapat dijadikan indikasi untuk keberadaannya dalam reaksi yang

sedang berlangsung. Banyak cara menjelaskan kestabilan karbokation, salah

satunya adalah hiperkonjugasi.

Hiperkonjugasi meliputi tumpang tindih antara suatu ikatan (orbital ikatan)

dengan orbital p yang kosong yang terdapat dalam atom karbon bermuatan positif

(lihat gambar dibawah ini). Walaupun gugus alkil yang terdapat pada atom karbon

positif tersebut dapat berputar, satu dari dari ikatan sigma selalu sebidang dengan

orbital p kosong pada karbokation. Pasangan elektron pada ikatan sigma ini

disebarkan ke orbital p kosong sehingga menstabilkan atom karbon yang

kekurangan elektron.

Kita dapat memikirkan fenomena hiperkonjugasi seperti yang kita jumpai

dalam bentuk klasik. Sebagai contoh bahwa isopropyl kation distabilkan oleh

hiperkonjugasi menghasilkan beberapa bentuk resonansi.

Hiperkonjugasi akan meningkatkan order ikatan dari ikatan CC (lebih

bersifat ikatan rangkap) dan akan berakibat memendekkan ikatan CC. Perlu

ditekankan juga bahwa akan terjadi fenomena melemahnya dan memanjangnya

ikatan CH yang dinyatakan dengan kerapatan elektron pada orbital p kosong.

Akhirnya muatan positif yang signifikan dipindahkan kepada atom H yang terlibat

dalam hiper-konjugasi.

III. Dasarteori

Karbokation menunjukkan satu dari sangat penting dan sering dijumpai dari

jenis zat antara yang terlibat dalam reaksi senyawa organic. Stabilitas relative

karbokation dapat dijadikan indikasi untuk keberadaannya dalam reaksi yang

sedang berlangsung. Banyak cara yang dapat dilakukan untuk menjelaskan

kestabilan karbokation,salah satunya adalah hiperkonjugasi (Fessenden, 1992).

Menurut Streitwieser (1985) Struktur dan Stabilitas Karbokation :

Karbokation memiliki struktur trivalen dengan karbon tersubstitusi sp2.

Selain itu, karbokation memiliki orbital p kosong yang tegak lurus terhadap ketiga

substituennya.

Gambar I. Struktur elektronik dari karbokation

Menurut Hart (1990) Untuk memahami stabilitas karbokation lebih lanjut,

mari kita lihat contoh berikut ini. 2-metilpropena dapat bereaksi dengan H+ dan

menghasilkan karbokation yang memiliki tiga substituen metil (karbokation

tersier, 30) dan karbokation dengan satu substituen alkil (karbokation primer, 10).

Karbokation mampu bereaksi dengan suatu nukleofil, misalnya Cl- menghasilkan

alkil klorida. Dari hasil penelitian, didapat hanya 2-kloro-2- metilpropana, hal ini

karena pembentukan intermediet karbokation tersier lebih stabil dibandingkan

karbokation primer. Ingat bahwa karbokation yang lebih tersubstitusi lebih stabil

dibandingkan karbokation yang kurang tersubstitusi. Urutan stabilitas karbokation

adalah sebagai berikut:

Hiperkonjugasi melibatkan tumpang tindih antara suatu ikatan (orbital

ikatan) dengan orbital p yang kosong yang terdapat pada atom karbon yang

bermuatan positif. Walaupun gugus alkil yang terikat pada atom karbon positif

tersebut dapat berputar,satu dari ikatan sigma selalu sebidang dengan orbital p

kosong pada karbokation. Pasangan electron pada ikatan sigma ini disebarkan

pada orbital p kosong sehingga mestabilkan atom karbon yang kekurangan

electron (Brady, 1999).

Kita dapat memikirkan fenomena hiperkonjugasi seperti yang kita jumpai

dalam bentuk klasik.Sebagai contoh bahwa isopropyl kation distabilkan oleh

hiperkonjugasi menghasilkan beberapa bentuk resonansi (Cotton , 1989).

Hiperkonjugasi akan meningkatkan order ikatan dari ikatan CC(lebih

bersifat ikatan rangkap) dan akan berakibat memendekkan ikatan CC.Fenomena

yang terjadi adalah melemahnya dan memanjangnya ikatan CH yang dinyatakan

dengan kerapatan electron pada orbital p kosong.Akhirnya muatan positif yang

signifikan akan dipindahkan kepada atom H yang terlibat dalam hiperkonjugas

(Kealey , 2002).

Hiperkonjugasi adalah ikatan C – C apabila mengikat atom lagi dengan

ikatan. Rangkap 2 atau 3C-C kecil dari pada C-C perhitungan karena adanya

pengaruh ikatan rangkap dua atau tiga yaitu elektron. atau pengaruh

hiperkonjugasi. Terjadi semacam resonansi. Gejala ini disebut hiperkonjugasi

yaitu karena adanya pergeseran elektron sehingga tidak berikatan secara

parsial  (atom H berdekatan) “no bond resonance” sehingga sering pula disebut

konjugasi.Seakan-akan mirip jarak ikatan rangkap tetapi tidak 100% hanya

diantaranya (Stanley , 1988).

Ex :

Ikatan dalam Etana.Kedua atom karbon dalam etana adalah tetrahedral.

•Tiap karbon menggunakan 4 orbital sp3 untuk membentuk 4 ikatan

kovalen:

     

HDalam etana , orbital sp3 adalah hibridisasi orbital ,

tetapi ikatan tunggal terbentuk antara atom karbon

dengan hibridisasi lain memang terjadi ( misalnya

sp2 ke sp2 ). Bahkan, atom karbon dalam ikatan tunggal

tidak perlu dari hibridisasi yang sama. Etana, C2H6,

merupakan contoh paling sederhana dari molekul yang

mengandung ikatan karbon-karbon.  

 

(Arsyad , 2001).

Konsep ikatan sigma diperluas untuk menjelaskan interaksi ikatan yang

melibatkan ketumpangtindihan cuping tunggal sebuah orbital dengan cuping

tunggal lainnya. Sebagai contoh, propana dideskripsikan mengandung 10 ikatan

sigma, masing-masing untuk dua ikatan C-C dan delapan ikatan C-H. Atom C

primer : atom C yang mengikat langsung 1 atom C yang lainyang lain

(tetangganya) (Barasella , 2012).

IV. Prosedur kerja

Langkah awal adalah menggambarkan dan mengoptimasi beberapa

karbokation yaitu t-butil, sek-butil, dan n-butil. Anda dapat memulai

menggambarkan hidrokarbon dan menghilangkan 1 atom H yang terikat dalam

atom karbon untuk menghasilkan karbokation.

1.      Gunakan menu draw untuk menggambarkan isobutana.

2.      Klik pada build dan kemudian add H & Model Build.

3.      Gunakan menu Selection dan hapus atom H sesuai dengan karbokation

yang digambar.

4.      Klik Setup dan kemudian semi empiris.

5.      Klik AMI dan kemudian options.

6.      Atur Total Charge pada 1 dan Spin Multiplicity pada 1 (semua spin

terpasangkan)

7.      Lakukan optimasi dengan memilih Compute dan kemudian Geometri

Optimizaion.

8.      Setelah perhitungan selesai, catat panas pembentukannya.

Pencatatan data

1.      Catat panjang ikatan CC, semua panjang ikatan Csp3-H (karbon Csp3-

H terikat pada karbon Csp2) dan semua sudut antara pusat karbon Csp2.

2.      Klik pada Display dilanjutkan dengan Labels.

Klik pada Charge dilanjutkan dengan OK. Muatan atom akan dimunculkan.

Catat muatan pada atom H yang ikut terlibat dalam hiperkonjugasi (pada

Csp3 yang terikat pada Csp2). Catat jika terjadi perbedaan. Atom H dengan

muatan terbesar akan lebih banyak terlibat dalam hiperkonjugasi. Cetak struktur

dengan muatan atomnya dan lampirkan pada lembar laporan.

V. Hasil

Catatanpanjangikatan CC, Semuapanjangikatan Csp3-H ( Karbon

Csp3terikatpadaKarbon Csp2 ) Semuasudutantarapusatkarbon Csp2.

Karbokation Panjangikatan C-C

(A)

PanjangIkatan Csp3-

H (A)

Sudutterhadap Csp2

t-butil C2-C1 =1,45531 C1-H7=1,12367 C1C2C3=119,993

C2-C3 =1,45527 C1-H6=1,13393 C1C2C4=119,992

C2-C4 =1,45529 C1-H5=1,2367 C4C2C3=119,995

Sek-butil C1-C2 =1,4381 C1-H7=1,3274 C1C2C3=123,292

C2-C3 =1,44355 C1-H5=1,13713 C1C2H8=118,346

C3-C4 =1,50874 C1-H6=1,12084

n-butil C1-C2 =1,42302 C2-H7=1,13011 C2C1H5=121,444

C2-C3 =1,57086 C2-H8=1,13011 H5C1H6=117,082

C3-C4 =1,5029

Catatan kerapatan muatan setiap Karbokation

t-butil Sek-butil n-butil

C1-H7 =0,201 C1-H7 =0,204 C2-H7 =0,191

C1-H6 =0,169 C1-H6 =0,160 C2-H8 =0,191

C1-H5 =0,169 C1-H5 =0,217

C3-H9 =0,218

C3-H10 =0,197

Catatan panas pembentukan untuk setiap karbokation

Karbokation Panaspembentukan

t-butil -977,8583

Sek-butil -968,6559

n-butil -949,5129

t-butil

Sek-butil

n-butil

VI. Pembahasan

Percobaan ini bertujuan untuk menyelidiki stabilitas beberapa karbokation

dan pengaruh hiperkonjugasi terhadap panjang ikatan dan kerapatan muatan

menggunakan perhitungan semi empiris AM1.

Perhitungan semiempiris AM1 ini lebih mudah dan cepat dalam mengelolah

data perhitungan dibandingkan dengan metode ab initio. Metode ini digunakan

untuk mencari panjang ikatan, sudut ikatan, dan energi ikat dari molekul yang

dianalisis.

Panjang ikatan C-H yang terlibat hiperkonjugasi akan bernilai lebih

besardaripada yang tidak terlibat konjugasi. Hiperkonjugasi akan memanjangan

ikatan C-Hyang ditandai perubahan kerapan elektron pada orbital p. Atom H yang

terlibathiperkonjugasi akan selalu ditarik oleh orbital p kosong. Akibat dari

tarikan ini makaatom H akan lebih menjauh dari atom C dan akan memperpanjang

ikatannya. Muatanpada atom H yang terlibat hiperkonjugasi akan lebih besar

daripada yang tidakmengalami hiperkonjugasi.karena muatan positif pada atom

karbon dipindahkan keatom H yang terlibat hiperkonjugasi.

Hiperkonjugasi akan meningkatkan order ikatan dari ikatan C-C dan

akanberakibat terjadinya pemendekkan ikatan C-C. Panjang ikatan C-C yang

terlibathiperkonjugasi lebih pendek daripada yang tidak terlibat hiperkonjugasi.

Hal inidikarenakan hiperkonjugsi yang melibatkan tumpang tindih antara suatu

ikatandengan orbital p yang kosong yang terdapat pada atom karbon yang

bermuatan positif.Satu ikatan sigma pada gugus alkil selalu sebidang dengan

orbital p kosong padakarbokation. Pasangan elektron pada ikatan sigma ini

disebarkan ke orbital p kosongsehingga menstabilkan atom karbon yang

kekurangan elektron.

Sudut terhadap Csp2 pada karbokation t-butil lebih kecil dibandingkan

padakarbokation sek-butil dan n-butil. Karena pada karbokation sek-butil terjadi

deviasisudut ikatan, dima atom C yang terlibat hiperkonjugasi mengalami tarikkan

sehinggasudutnya menjadi lebih besar dari hibridisasi. Sedangkan untuk atom C

yang tidakterlibat hiperkonjugasi tidak mengalami tarikkan dengan antar atom C.

Berdasarkan pada uji panas pembentukkan ketiga karbokation ini,

dapatdikatakan bahwa karbokation t-butil memiliki panas pembentukan yang

lebih kecildibandingkan dengan sek-butil dan n-butil. Hal ini bekaitan dengan

kestabilankarbokation tersebut. Karbokation t-butil lebih stabil sehingga untuk

menangkapnukleofil membentuk suatu senyawa baru tidak memerlukan energi

yang besar.Sedangkan karbokation n-butil sangat tidak stabil, sehingga nukleofil

sulit untukmasuk kedalam karbokation dan membentuk senyawa baru. Oleh sebab

itu energiyang diperlukan besar.

Berdasarkan pada nilai panas pembentukannya maka dapatdikatakan bahwa

urutan kestabilan karbotion t-butil lebih besar dari sek-butil lebihbesar dari n-

butil. Selain itu kestabilan karbokation juga dipengaruhi oleh seberapabanyak

atom karbon yang terlibat dalam hiperkonjugasi. Pada t-butil, ketiga atomkarbon

terlibat dalam hiperkonjugasi. Pada sek-butil yang terlibat hiperkonjugasihanya 2

atom C dan ada satu gugus alkil yang tidak terlibat dalam

hiperkonjugasi.Sedangkan pada n-butil hanya satu gugus alkil yang terlibat dalam

hiperkonjugasi.Sehingga pada t-butil pasangan elektron ketiga gugus alkilnya

tumpang tindih denganorbital p yang kosong pada atom C bermuatan positif. Dan

ini juga yang menstabilkanatom karbon yang bermuatan negatif. Sedangkan pada

n-butil hanya 1 gugus alkilyang memberikan pasangan elektronnya untuk

disebarkan pada orbital p kosong danini menyebabkan n-butil sangat tidak stabil.

VII. Kesimpulan

Adapun kesimpulan dalam pecobaan ini yaitu:

1)      Panjang ikatan C-H yang mengalami hiperkonjugasi lebih besar

daripada yang tidakmengalami hiperkonjugasi.

2)      Panjang ikatan C-C yang terlibat hiperkonjugasi lebih kecil daripada

yang tidakmengalami hiperkonjugasi.

3)      Sudut ikatan pada atom C yang terlibat hiperkonjugasi mengalami

deviasi dari sudutikatan hibridisasi.

4)      Berdasarkan panas pembentukan karbokation maka, Urutan kestabilan

karbokation :      t-butil> sek-butil > n-butil.

DAFTAR PUSTAKA

Arsyad,M.Natsir. 2001. Kamus Kimia Arti Dan Penjelasan Istilah.

Jakarta : Gramedia

Barasella. 2012. Buku Wajib Kimia Dasar. Jakarta: Trans Info Media.

Brady. 1999. Kimia Universitas Asas dan Struktur. Bandung : Binarupa

Aksara.

Cotton, Wilkinson. 1989. Kimia Anorganik Dasar. Jakarta : Penerbit

Universitas Indonesia, UI-PRESS

Fessenden R.J., dan Fessenden J.S. 1992. Kimia Organik Jilid 2. Jakarta:

Erlangga.

Hart, Harold. 1990. Kimia Organik. Jakarta: Erlangga

Kealey, D. dan Haines, P.J. 2002. Analytical Chemistry. London: BIOS

ScientificPublishers Ltd.

Stanley. 1988. Kimia OrganikJilid 1. Bandung: ITB PRESS.

Streitwieser. 1985. Introduction to Organic Chemistry EdisiKetiga. New

York : Macmillan Publishing Company.