Substitusi Nukleofilik Senyawa Alifatik

A. Mekanisme Reaksi Substitusi NukleofilikReaksi yang berlangsung karena penggantian satu atau lebih atom atau

gugus dari suatu senyawa oleh atom atau gugus lain disebut reaksi substitusi. Bila reaksi substitusi melibatkan nukleofil, maka reaksi disebut substitusi nukleofilik(SN), dimana S menyatakan substitusi dan N menyatakan nukleofilik.

Spesies yang bertindak sebagai penyerang adalah nukleofil (basa Lewis), yaitu spesies yang dapat memberikan pasangan elektron ke atom lain untuk membentuk ikatan kovalen. Perubahan yang terjadi pada reaksi ini pada dasarnya adalah: suatu nukleofil dengan membawa pasangan elektronnya menyerang substrat (molekul yang menyediakan karbon untuk pembentukan ikatan baru), membentuk ikatan baru dan salah satu substituen pada atom karbon lepas bersama berpasangan elektronnya.

Jika nukleofil penyerang dinyatakan dengan lambang Y: atau Y dan substratnya R-X; maka persaman reaksi substitusi nukleofilik dapat dituliskan secara sederhana sebagai berikut:

R – X + Y- R – Y + X-

Substrat nukleofil hasil substitusi gugus pergi

Gugus pergi adalah substituen yang lepas dari substrat, yang berarti atom atau gugus apa saja yang digeser dari ikatannya dengan atom karbon. Substrat bisa bermuatan netral atau positif, sedangkan nukleofil bermuatan netral atau negatif. Pada umumnya nukleofil adalah ion yang bermuatan negatif (anion), tetapi beberapa molekul netral dapat pula bertindak sebagai nukleofil, contoh: H2O, CH3OH, dan CH3NH2. Hal ini disebabkan karena molekul-molekul netral tersebut, memiliki pasangan elektron menyendiri yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan sigma dengan atom C substrat. Dalam reaksi substitusi nukleofilik bila nukleofilnya H2O atau -OH disebut reaksi hidrolisis, sedangkan bila nukleofil penyerangnya berupa pelarut disebut reaksi solvolisis. Dengan demikian maka reaksi substitusi nukleofilik dapat dituliskan dalam 4 macam persamaan reaksi, yaitu :

Nu: – + R – L → Nu – R + L: – Nu: + R – L → Nu+ – R + L: – Nu: – + R – L+ → Nu – R + L: Nu: – + R – L+ → Nu+ – R + L:

Keterangan :Nu : atau Nu:¯ adalah nukleofilL : atau L:¯ adalah gugus pergiIon atau molekul yang merupakan basa yang sangat lemah, seperti I¯, Cl¯,

Br¯merupakan gugus pergi yang baik, karena mudah dilepaskan ikatannya dari atom C substrat. Sedangkan nukleofil yang baik adalah nukleofil yang berupa basa kuat.

Contoh-contoh Reaksi Substitusi Nukleofilik Senyawa Alifatik1. Reaksi subtitusi nukleofil dengan tipe : Nu: - + RL NuR + L-

Contoh:

CH3 CH2 CH2CH2 I + CN- CH3CH2 CH2CH2 CN + I-

O O ║ ║

CH3 CH2 CH2CH2 – Br + CH3C- O- CH3CH2 CH3 CH2 C CH3 + Br-

CH3 CH3

│ │CH3 CH2 – Br + CH3C-O- CH3CH2 – O – C – CH3 + Br-

│ │ CH3 CH3

CH3 CH – Br + OH- CH3CH – CH3 + Br-

│ │ Cl OH

2. Reaksi subtitusi nukleofilik dengan tipe: Nu: + RL+ R+ - Nu + L

CH3 – N – CH3 + CH3 – S+ – CH3 CH3- N+– CH3 + CH3 – S+ – CH3

│ │ / \ CH3 CH3 CH3 CH3

3. Reaksi subtitusi nukleofilik dengan tipe: Nu:- + R+L NuR + L:

Contoh:

CH3 – O+ – CH3 + Br CH3 Br + CH3 – O – CH3

│ CH3 CH3 O O CH3

│ ║ ║ │ C6H5–CH–N+–CH3 + CH3–C–O- C6H5-CH–O–C–CH3 + :N – CH3 │ │ │ │ CH3 CH3 CH3 CH3

CH3 – S+ – CH3 + CH3 CH2 – O- CH3 CH2 – O– CH3 + CH3 – S – CH3

│ CH3

CH3 – S+ – CH3 + OH- CH3 – OH + CH3 – S – CH3

│ CH3

4. Reaksi subtitusi nukleofilik dengan tipe: Nu: + RL NU+ - R + L-

CH3 CH3

│ │CH3 CH2 CH2 – Br + :N – CH3 CH3 CH2CH2 – N+ – CH3 + Br -

│ │ CH3 CH3

Mekanisme Reaksi Substitusi Nukleofil Senyawa AlifatikReaksi substitusi nukleofil senyawa alifatik biasanya terjadi pada senyawa

alkil halida (R-X). Atom karbon yang mengikat halida pada alkil halida ini, mempunyai muatan parsial positif, sehingga mudah diserang oleh nukleofil. Jika gugus perginya adalah ion halida, maka gugus ini merupakan gugus pergi yang baik karena ion-ion halidanya merupakan basa yang sangat lemah dan mudah digantikan oleh nukleofil.

1. Mekanisme Reaksi SN2Bila laju reaksi substitusi nukleofilik tergantung pada konsentrasi substrat

dan nukleofil, maka reaksi ini dimanakan reaksi tingkat dua dan dinyatakan dengan SN2. Notasi SN2 menunjukkan reaksi substitusi nukleofil bimolekular, yang berarti bahwa pada reaksi ini ada 2 spesies yang terlibat dalam pembentukan keadaan transisi. Dalam reaksi SN2, nukleofil menyerang substrat dari arah belakang, dalam arti nukleofil mendekati substrat dari arah yang

berlawanan dengan posisi gugus pergi. Reaksinya merupakan proses satu langkah, tanpa pembentukan zat antara. Pola umum dari serangan nukleofil terhadap substrat ini dapat digambarkan sebagai berikut:

nukleofil substrat keadaan transisi hasil substitusi gugus pergi

Penyerangan nukleofil dari arah belakang suatu atom karbon tetrahedral yang mengikat gugus pergi, ada dua hal yang terjadi yaitu: suatu ikatan baru mulai dibentuk dan ikatan C-X mulai terputus. Proses ini disebut proses satu tahap (proses serempak). Pada proses ini diperlukan energi untuk memutuskan ikatan C-X. Energi tersebut dipenuhi dari energi yang dibebaskan pada pembentukan ikatan C-Y yang terjadi secara simultan. Jika energi potensial kedua spesies yang bertumbukan cukup tinggi, maka dapat dicapai suatu keadaan energi yang memudahkan pembentukan ikatan baru dan pemutusan ikatan C-X.

Pada waktu pereaksi berubah menjadi hasil substitusi, maka pereaksi tersebut harus melewati keadaan antara yang memiliki energi potensial tinggi jika dibandingkan dengan energi rata-rata pereaksi dan hasil reaksi. Keadaan antara ini disebut keadaan transisi atau kompleks teraktifkan. Karena pembentukan keadaan transisi ini melibatkan dua partikel yaitu substrat dan nukleofil, maka reaksi SN2 dikatakan bersifat bimolekular. Keadaan transisi ini melibatkan suatu rehibridisasi sementara dari atom C yang mengikat gugus pergi dan sp3 ke sp2 dan akhirnya kembali ke sp3 pada saat hasil reaksi terbentuk.

Jika nukleofil menyerang dari arah belakang molekul substrat, ketiga gugus yang terikat pada atom karbon dengan hibridisasi sp3 berubah posisi menjadi datar pada keadaan transisi, kemudian membalik ke posisi yang lain (seperti payung yang kelewat terbuka). Peristiwa membalik ini disebut inversi.

Laju reaksi SN2 ditentukan oleh konsentarsi substrat dan konsentrasi nukleofil. Artinya konsentrasi kedua reaktan terlibat dalam langkah penentu laju reaksi. Jika konsentrasi pereaksi dalam reaksi SN2 diperbesar akan menambah laju pembentukan produk. Hal ini disebabkan karena dengan penambahan konsentrasi pereaksi tersebut, akan akan meningkatkan jumlah tumbukan antar molekul. Untuk reaksi SN2 yang dinyatakan dengan persamaan reaksi:

Nu- + R-X R-Nu + X maka :

Laju reaksi SN2 = k [R-X][Nu-]

[R-X] dan [Nu-] : konsentrasi dalam mol/liter untuk substrat dan nukleofil

k : tetapan laju reaksi.

Harga k konstan untuk reaksi dengan kondisi eksperiman yang sama (pelarut, konsentrasi).

Untuk membuktikan adanya inversi konfigurasi pada reaksi SN2 yaitu dengan menggunakan substrat yang bersifat aktif optik. Inversi konfigurasi ini disebut inversi Walden, sebagai penghormatan terhadap Walden atas jasanya

dalam melakukan observasi yang intensif yang mengungkapkan adanya fenomena tersebut. Contoh yang digunakan oleh Walden untuk membuktikan terjadinya inversi konfigurasi pada reaksi SN2 ini adalah reaksi antara (+)-asam malat dengan tionil klorida (SOCl2) yang menghasilkan (+)-asam klorosuksinat, sedangkan bila (+)-asam malat direaksikan dengan PCl5 ternyata menghasilkan (-)-asam klorosuksinat. O

║ C – OH | H – C – Cl | (-)-asam klorosuksinat

CH2

| O PCl5 C = O ║ | C – OH OH | H – C – OH O | ║ CH2 SOCl2 C – OH | |

C = O H – C – Cl (+)- asam klorosuksinat | | OH CH2

| (+) – asam malat C = O

| OH

Salah satu hasil reaksi di atas, mengalami inversi konfigurasi dan yang

lain mengalami retensi konfigurasi. Yang menjadi masalah adalah hasil yang manakah yang mengalami retensi konfigurasi dan yang manakah yang mengalami inversi konfigurasi. Dalam hal ini sulit ditentukan karena rotasi tidak selalu berhubungan dengan konfigurasi, dalam arti bahwa senyawa yang konfigurasinya serupa tidak harus mempunyai rotasi dengan arah yang sama.

Contoh lain yang diamati Walden adalah reaksi antara (+)-asam klorosuksinat dengan KOH dan Ag2O.

O ║

KOH C – OH | H – C – OH (-)-asam malat |

CH2

| O C = O ║ | C – OH OH | H – C – Cl O | ║ CH2 C – OH | | C = O Ag2O C – OH (+) - asam malat | | OH CH2

| (+) – asam klorosuksinat C = O

| OH

Reaksi KOH dengan senyawa (+)-asam klorosuksinat ternyata diperoleh senyawa aktif optik yang merupakan enantiomernya, sedangkan reaksinya dengan Ag2O menghasilkan (+)-asam malat. Terjadinya inversi pada konfigurasi

pada reaksi SN2 ini juga ditunjukkan oleh reaksi antara (R)-2-bromooktana dengan ion hidroksida OH¯ yang menghasilkan (S)-2-oktanol dengan persamaan reaksi:

C

CH2(CH2)4CH3

Br

H

H

+ OH-SN2

HO C

CH2(CH2)4CH3

H

CH3

+ Br-

(R)- 2- bromooktana (S)-2-oktanol

Inversi konfigurasi dapat terjadi dalam reaksi diatas, di mana terlihat bahwa gugus OH¯ tidak menempati posisi yang sebelumnya diduduki oleh Br. Dapat dikatakan bahwa alkohol yang terbentuk yaitu 2-oktanol mempunyai konfigurasi yang berlawanan dengan 2-bromooktana. Inversi konfigurasi artinya suatu reaksi yang menghasilkan senyawa dengan konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi reaktan.

Laju reaksi yang mengikuti mekanisme SN2 terutama disebabkan oleh faktor sterik dan bukan ditimbulkan oleh faktor polaritas. Hal ini berarti perbedaan laju reaksi berkaitan dengan keruahan substituen dan bukan karena faktor distribusi elektronnya. Apabila jumlah substituen yang terikat pada atom C yang mengikat gugus pergi bertambah, maka kereaktifannya dalam reaksi SN2 akan menurun.Contoh : Reaksi substitusi gugus OH¯ pada 2 macam alkil halida primer.

1. OH- + CH3Br CH3OH + Br-

bromometana metanol

2. OH- + CH3CH2Br CH3CH2OH + Br-

bromometana etanol

Laju reaksi dari bromometana 30x lebih cepat daripada bromoetana. Jika bromoetana memerlukan waktu satu jam untuk menyelesaikan separuh reaksi, maka bromoetana hanya memerlukan 1/30 kalinya, yaitu 2 menit saja untuk menyelesaikan separuh reaksinya. Laju relatif rata-rata beberapa alkil halida dalam reaksi SN2 dapat dilihat pada tabel 4.1 berikut:

Tabel Laju reaksi relatif rata-rata beberapa alkil halida dalam reaksi SN2Alkil halida Laju relatifCH3-XCH3CH2-XCH3CH2-CH2-XCH3CH2-CH2-CH2-X(CH3)2-CH-X(CH3)2-CH-CH2-X(CH3)3-C-CH2-X(CH3)3-C-X

3010,40,40,0250,03010-5

~ 0

Makin meruahnya gugus yang diikat oleh atom C yang mengikat gugus pergi makin rendah laju reaksinya. Untuk alkil halida sederhana, urutan kereaktifannya dalam reaksi SN2 adalah: metil > alkil primer > alkil sekunder > alkil tersier

Laju reaksi neopentil halida terhadap reaksi SN2 sangat rendah, meskipun senyawa termasuk alkil halida primer. Hal ini disebabkan karena dalam reaksi SN2 nukleofil menyerang atom karbon yang mengikat gugus pergi, sehingga

gugus yang meruah pada atom karbon atau didekat atom karbon tersebut akan menghalangi serangan nukleofil.

2. Mekanisme Reaksi SN1 Reaksi substitusi nukleofilik yang laju reaksinya hanya tergantung dari konsentrasi substrat dan tidak tergantung pada konsentrasi nukleofil disebut reaksi SN1 atau reaksi substitusi nukleofilik unimolekuler. Reaksi SN1 terdiri dari dua tahap. Tahap pertama melibatkan ionisasi alkil halida menjadi ion karbonium, berlangsung lambat dan merupakan tahap penentu reaksi. Tahap ke dua melibatkan serangan yang cepat dari nukleofil pada karbonium. Contoh dari reaksi substitusi nukleofilik unimolekuler adalah hidrolisa tersier butil bromida. Tersier butil halida dan alkil halida tersier lainnya, karena keruahan strukturnya (rintangan sterik) tidak bereaksi secara SN2. Tetapi bila t-butilbromida direaksikan dengan suatu nukleofil yang berupa basa yang sangat lemah (seperti H2O atau CH3CH2OH), memberikan hasil substitusi SN1.

CH3 CH3 | | CH3 – C – Br + CH3CH2 OH 250C CH3 – C – O – CH2 – CH3 + HBr | | CH3 CH3 t-butil bromida etanol etil-t-butil eter

CH3 CH3 | | CH3 – C – Br + H2 O 250C CH3 – C – OH + HBr | | CH3 CH3

t-butil bromida t-butil alkohol

Hasil reaksi substitusi yang diperoleh pada reaksi SN1 berbeda dengan hasil substitusi yang diperoleh pada reaksi SN2. Sebagai contoh bila dalam reaksi SN1 digunakan substrat suatu enantiomer murni dari alkil halida yang mengandung atom C kiral, akan diperoleh hasil substitusi yang berupa campuran rasemik dan bukannya hasil inversi konfigurasi seperti yang diperoleh pada reaksi SN2. Disamping itu diperoleh kesimpulan bahwa pada reaksi SN1 pengaruh konsentrasi nukleofil terhadap laju reaksi keseluruhan sangat kecil. Hal ini berlawanan dengan reaksi SN2 yang laju reaksinya berbandingan lurus dengan konsentrasi nukleofil. Tersier -butil bromida dapat bereaksi SN1 dengan ion hidroksida.

CH3 CH3 | | CH3 – C – Br + OH- CH3 – C – OH + Br-

| | CH3 CH3 t-butil bromida t-butil alkohol

Reaksi SN1 t- butil bromida dengan gugus OH- diatas merupakan reaksi bertahap. Tahap pertama adalah pemutusan ikatan C-Br membentuk sepasang ion yaitu ion bromida dan karbokation (suatu ion dengan muatan positif pada atom C). Karena pada reaksi ini melibatkan pembentukan ion, maka reaksi ini dibantu oleh pelarut polar seperti H2O dengan cara menstabilkan ion yang terbentuk melalui proses solvasi. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut:Tahap 1 : Pembentukan karbokation

CH3 CH3 CH3

| |+ - | CH3 – C – Br CH3 – C ----Br CH3 – C+ + Br-

| | | CH3 CH3 CH3

Keadan transisi zat antara karbokation

Tahap 2 : Penggabungan karbokation dengan nukleofil (OH¯) menghasilkan alkohol

CH3 CH3 | | CH3 – C – Br CH3 – C – OH

| | CH3 CH3

Tahap 1 merupakan tahap penentu reaksi, karena berjalan lambat. Pada tahap ini terjadi ionisasi t-butil bromida membentuk karbokation tersier-butil dan ion bromida. Laju reaksi pada tahap ini hanya tergantung pada konsentrasi t-butil bromida dan tidak tergantung pada konsentrasi ion OH¯.

Stereokimia reaksi SN1Pada reaksi SN1, ion karbonium merupakan intermediet dan mempunyai

geometri berbentuk planar, sehingga nukleofil dapat menyerang dari dua sisi. Jika ditinjau dari segi stereokimia, terbukti bahwa pada reaksi substitusi dengan mekanisme SN1, serangan nuklefil dapat terjadi dari arah depan atau dari arah belakang kedudukan gugus pergi. Dengan demikian pada reaksi SN1, dapat terjadi retensi atau inversi konfigurasi. Serangan nukleofil pelarut terjadi dari arah depan sehingga terbentuk retensi konfigurasi, sedangkan serangan nukleofil yang bukan pelarut dapat terjadi dari arah depan atau belakang sehingga terjadi rasemisasi. Contoh:

inversi retensi (dominan)

Terjadinya hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: seperti yang telah dipaparkan dimuka, reaksi SN1 menghasilkan karbokation. Pada karbokation ini atom C berhibridisasi sp2 dengan sebuah orbital p yang kosong yang dapat digambarkan sebagai berikut:

CR

RR

+

Jika nukleofil menyerang orbital p yang kosong dari karbokation tersebut, maka peluang untuk menyerang kedua sisi adalah sama. Jika hal ini terjadi akan menghasilkan campuran rasemat atau terjadi rasemisasi. Dengan demikian

dapat dipahami bahwa pada reaksi SN1 tidak akan diperoleh inversi konfigurasi seperti halnya pada reaksi SN2.

Laju reaksi SN1 hanya tergantung pada konsentrasi substrat dan tidak tergantung pada konsentrasi nukleofil, sehingga persamaan laju reaksinya adalah:

Laju reaksi SN1 = k {substrat}Dalam reaksi SN1 nukleofil tidak ikut berperan dalam pembentukan

keadaan transisi yang merupakan tahap penentu laju. Karena itu maka reaksi ini adalah unimolekular. Laju relatif beberapa alkil bromida dengan mekansime SN1 dapat dilihat pada tabel 4.3 berikut:

Tabel 4.2. Laju Relatif Beberapa Alkil Bromida dengan Mekanisme SN1

Alkil Bromida LajuCH3-BrCH3CH2-Br(CH3)2-CH-Br(CH3)3-C-Br

1,001,0011,61,2 x 106

Laju reaksi SN1 dipengaruhi oleh energi pengaktifan relatif yang mengakibatkan terbentuknya karbokation yang berlainan. Energi keadaan transisi yang akan membentuk karbokation ditentukan oleh kestabilan karbokation yang dalam keadaan setengah terbentuk pada keadaan transisi ini. Reaksi yang menghasilkan karbokation yang berenergi lebih rendah dan lebih stabil akan berlangsung lebih lambat.Urutan kestabilan karbokation dalam reaksi SN1 adalah sebagai berikut:

H CH3 | | +CH3 < CH3CH2

+ < CH3 C+ < CH3 – C+

| | CH3 CH3

Reaksi SN1 dari alkil halida tersier berlangsung dengan laju yang tinggi karena menghasilkan karbokation yang lebih stabil daripada karbokation yang dihasilkan oleh metil halida atau alkil halida primer.

Banyaknya gugus alkil yang terikat pada atom C trivalen positif berhubungan dengan kestabilan karbokation tersebut. Kestabilan karbokation ini dapat dijelaskan dengan hukum fisika yang menyatakan bahwa sistem yang bermuatan akan distabilkan oleh penyebaran (delokalisasi) muatan. Gugus alkil adalah gugus pendorong elektron, artinya gugus alkil ini akan memindahkan kerapatan elektronnya ke atom yang bermuatan positif. Melalui pemindahan elektron ini, gugus alkil yang terikat pada atom C positif dari karbokation mendelokalisasikan muatan positif atom C. Dengan cara ini maka gugus alkil tersebut membantu menstabilkan karbokation.

Orbital kosong

Orbital yang

tumpang tindih

HH

H C C

Kerapatan elektron pada ikatan sigma () C-H gugus metil mengalir ke orbital p yang kosong dari karbokation karena orbital-orbital ini dapat bertumpang tindih sebagian. Dengan pergeseran kerapatan elektron ini, muatan

positif dari atom C karbokation berkurang dari atom H gugus metil menjadi bermuatan parsial positif. Delokalisasi muatan seperti ini akan menyebabkan kestabilan karbokation meningkat.

Ada tiga gugus metil pendorong elektron di sekeliling atom C pusat yang dapat membantu delokalisasi muatan positif, pada karbokation tersier butil. Pada Kation isopropil memiliki 2 gugus metil, karbokation etil memiliki satu gugus metil, sedangkan dalam karbokation metil tidak ada satupun gugus yang dapat membantu mendelokalisasikan muatan positif. Dengan demikian maka delokalisasi muatan dan urutan kestabilan karbokation berkaitan erat dengan gugus metil yang terikat pada atom C positif karbokation, seperti yang dijelaskan berikut ini:

+ + CH3 CH3 H H + + + + + | + | CH3 C > CH3 C > CH3 C > H - C + | | | CH3 H H H

Tanda panah menunjukkan aliran elektron

Hubungan Antara Struktur Substrat dan Kereaktifannya Dalam Substitusi Nukleofilik Senyawa Alifatik

Struktur rantai karbon yang mengikat gugus pergi (substrat), dapat mempengaruhi laju reaksi SN1 dan SN2.1. Reaksi SN2

Urutan kenaikan laju reaksi dari berbagai alkil halida pada reaksi SN2 adalah sebagai sebagai berikut: Alkil halida tersier < alkil halida sekunder < alkil halida primer < metil halida.

Makin bertambahnya gugus alkil yang terikat pada atom C pengikat gugus pergi, keadaan transisinya akan semakin bertambah berjejal dengan atom, mengakibatkan semakin besarnya tolak-menolak antar gugus dan meningkatkan energi sistem. Jejalan ruang dalam sistem-sistem ini disebut rintangan sterik. Dalam reaksi SN2 energi sistem dari keadaan transisi yang memiliki atom atau gugus berjejalan lebih tinggi dari pada energi keadaan transisi dengan jejalan atom rendah (halangan sterik rendah). Hal inilah yang menyebabkan semakin turunnya laju reaksi dalam urutan metil, halida primer, sekunder dan tersier. Energi dari keadaan transisi pada reaksi SN2 dari alkil halida tersier begitu tingginya dibandingkan dengan reaksi alkil halida lain yang mungkin, sehingga pada alkil halida tersier tidak terjadi reaksi dengan mekanisme SN2.

Laju reaksi SN2 dari halida alilik dan benzilik lebih tinggi dari pada alkil halida primer dan metil halida. Reaktifitas halida alilik dan benzilik pada reaksi SN2 yang lebih besar ini disebabkan adanya ikatan pi () alilik dan awan aromatik yang menurunkan energi keadaan transisi. Pada reaksi SN2 ini, karbon yang bereaksi pada keadaan transisi mengalami rehibridisasi dari keadaan hibrida sp3 ke hibrida sp2 yang memiliki orbital p yang kosong dan akhirnya kembali ke hibrida sp3. Karena pada keadaan trasisi atom C berhibridisasi sp2

dengan orbital p yang kosong, maka orbital p yang kosong inilah yang

membentuk ikatan parsial dengan nukleofil yang menyerang gugus pergi. Untuk meningkatkan kestabilan dari keadaan transisi, maka senyawa–senyawa yang mempunyai sistem elektron , sistem elektron -nya ini harus berdekatan dengan karbon yang mengikat gugus pergi. Jika sistem ini letaknya tidak cukup dekat, maka tidak dapat bertumpang tindih dengan orbital dari atom C sp2, sehingga tidak dapat membantu menyebarkan muatan negatif dan tidak membantu menstabilkan keadaan transisi. Perhatihan Gambar 4.1 untuk dapat memahami hal ini.

CH2 CH2 + OH-

Cl

CH2

CH

CH2

Cl

OH

CH2

CH2-Cl-

CH

CH2

OH

keadaan transisi

Gambar 4.1 Pembentukan Kation Alil dari Alil Klorida

Substrat alil halida dan benzil halida dapat membentuk keadaan transisi yang disebabkan karena terjadinya resonansi pada karbokation alil dan karbokation benzil yang dapat dituliskan sebagai berikut:

+ + CH2 = CH–CH2 CH2 - CH =CH2

CH2+ CH2

+

CH2 CH2

+

+

Adanya resonansi tersebut, mengakibatkan kestabilan karbokation alil dan karbokation benzil semakin meningkat sehingga alil halida dan benzil halida menjadi lebih reaktif dalam reaksi SN2 dibandingkan dengan alkil halida primer dan metil halida. Bahkan benzil halida jauh lebih reaktif dari pada alil halida. Jadi urutan kereaktifan alkil halida dalam reaksi SN2 adalah sebagai berikut: Benzil halida > alil halida> metil halida > alkil halida primer > alkil halida sekunder > alkil halida tersier

2. Reaksi SN1Laju reaksi SN1 tidak dipengaruhi oleh konsentrasi nukleofil, tetapi hanya

dipengaruhi oleh konsentrasi substrat. Hal ini disebabkan karena sangat cepatnya reaksi antara karbokation dan nukleofil dengan konsentrasi karbokation yang sangat kecil. Reaksi yang cepat antara karbokation dan nukleofil ini hanya terjadi bila karbokation tersebut dapat terbentuk. Karena itu laju keseluruhan dari reaksi SN1 ditentukan sepenuhnya oleh cepatnya ionisasi alkil halida R-X membentuk karbokation R+. Tahap ionisasi ini adalah tahap yang berlangsung lambat dalam reaksi secara keseluruhan dan merupakan tahap penentu laju reaksi, seperti yang terlihat pada reaksi berikut ini:

CH3 CH3 CH3

| |+ - | CH3 – C – Br CH3 – C ----Br CH3 – C+ + Br-

| | | CH3 CH3 CH3

Keadan transisi zat antara karbokation

Energi pengaktifan relatif yang mengakibatkan terbentuknya karbokation yang berlainan sangat menentukan laju reaksi SN1 dari berbagai alkil halida.

Energi keadaan transisi yang akan menghasilkan karbokation ini sebagian besar ditentukan oleh kestabilan karbokation yang telah setengah terbentuk dalam keadaan transisi tersebut. Dengan demikian maka reaksi yang dapat menghasilkan karbokation yang lebih stabil akan berjalan lebih cepat dari pada reaksi yang menghasilkan karbokation yang kurang stabil.

Reaksi penataan ulang dapat membantu karbokation untuk mencapai kestabilan tertinggi dalam strukturnya. Penataan ulang ini dapat terjadi setelah karbokation terbentuk atau terjadi ketika gugus pergi meninggalkan substrat. Penataan ulang ini tidak terjadi pada reaksi SN2, karena tidak ada karbokation yang terbentuk dan karena pada reaksi SN2 berlangsung dalam satu tahap, maka tidak ada kesempatan untuk terjadi penataan ulang.

Contoh reaksi dengan penataan ulang karbokation pada reaksi SN1 adalah:1. Reaksi dari 2-bromo-3-metilbutana dan etanol mendidih yang menghasilkan

campuran 2-etoksi-3-metilbutana (hasil yang tidak melalui penataan ulang) dan 2-etoksi-2-metilbutana (hasil penataan ulang).

Br O-CH2-CH3 O-CH2-CH3 | CH3CH2 OH | | CH3 – CH–CH-CH3 CH3-CHCH CH3 + CH3CH2 –C - CH3 | kalor | | CH3 CH3 CH3

2-bromo-3-metilbutana 2-etoksi-3-metil 2-etoksi-2-metil butana butana (hasil yang (hasil yang

melalui tidak melalui penataan ulang penataan ulang

Produk penataan ulang yaitu 2-etoksi-2-metilbutana dihasilkan dari

pergeseran hidrida, yaitu gerakan atom hidrogen dengan pasangan elektron ikatannya. Pergeseran hidrida ini ditujukkan dengan simbol ~H. Dalam hal ini, pergeseran hidrida mengubah karbokation sekunder yang terbentuk menjadi karbokation tersier yang lebih stabil. Serangan nukleofil pelarut menghasilkan produk penataan ulang. Pada reaksi tersebut, tahap 1 adalah tahap pembentukan karbokation:

Br H H | | + | CH3 – C – C - CH3 CH3 – C – C - CH3 + Br-

| | | | H CH3 H CH3 Karbokation sekunder

H O-CH2CH3 H | | CH2OH | + CH3 – C – C - CH3 CH3 – C – C - CH3 | | -H+ | | H CH3 H CH3 Karbokation tersier

2. Reaksi antara neopentil bromida yang dididihkan bersama etanol. Dalam reaksi ini hanya menghasilkan produk substitusi hasil penataan ulang. Produk ini dihasilkan dari pergeseran gugus metil yang ditunjukkan dengan simbol ~CH3. Migrasi gugus metil ini bersama dengan pasangan elektronnya. Jika tanpa penataan ulang, ionisasi neopentil bromida akan menghasilkan karbokation primer yang sangat tidak stabil.

CH3 CH3

| | + CH3 – C – CH2-Br CH3 – C – CH2 + Br- | | CH3 CH3

Neopentil bromida Karbokation primer

Ketika ion bromida meninggalkan substrat, maka terjadilah pergeseran metil, sehingga terjadi penataan ulang karbokation menjadi karbokation tersier yang lebih stabil. Produk penataan ulang ini terbentuk saat ionisasi.

CH3 CH3

| -CH3 | CH3 – C – CH2-Br CH3 – C – CH2 + Br- | + | CH3 CH3

Serangan nukleofil pada karbokation tersier menghasilkan produk yang diamati.

+

HCH3 C C

CH3 H

CH3

+ CH3CH2OH H+

O-CH2CH3

CH3

CH3 C CH2CH3

produk penataan ulang

Pergeseran sebuah atom atau gugus dari suatu karbon ke karbon lain di dekatnya disebut “geseran -1,2”. Geseran-1,2 sebuah gugus metil disebut geseran metil atau geseran metida, karena gugus :CH3 adalah suatu anion. Jika dalam suatu reaksi dapat terbentuk karbokation sekunder maupun karbokation tersier, maka akan menghasilkan 2 macam produk, yaitu produk normal (tanpa penataan ulang) dan produk penataan ulang.

Alkil halida primer tidak dapat menjalani reaksi SN1, tetapi halida alilik dan benzil halida primer yang merupakan alkil halida primer dapat menjalani reaksi reaksi SN1 maupun SN2. Alil halida 30 kali lebih reaktif dari pada etil halida, dan benzil halida 400 kali lebih reaktif. Bila benzil halida mengikat dua buah gugus fenil, maka halida tersebut 100.000 kali lebih reaktif dari pada etil halida.

Jadi urutan kereaktifan alkil halida dalam reaksi SN1 adalah:

(C6H5)2CHX > (C6H5)2CH2X > CH2=CHCH2X > (CH3)3CX > (CH3)3CHX > CH3CH2X > CH3X

Alil halida dan benzil halida mempunyai reakstifitas yang tinggi dalam reaksi SN1 disebabkan karena adanya stabilisasi resonansi dari keadaan transisi yang menghasilkan karbokation tersebut. Karbokation ini distabilkan oleh penyebaran muatan positif yang dimilikinya. Contoh:

-Cl- +

CH2 = CH – CH2Cl [ CH2 = CH - CH2]

+ +[ CH2 = CH -CH2] [ CH2 - CH =CH2]

Resonansi dapat menstabilkan kation alil ini, maka energi keadaan transisi yang menghasilkan karbokation ini relatif rendah, sehingga reaksinya berlangsung cepat. Kedua atom karbon ujung dari karbokation alil tersebut mempunyai jumlah muatan positif yang sama, maka serangan nukleofil dapat terjadi pada kedua atom karbon tersebut. Contoh : Reaksi antara 1-kloro-2-butena dengan air menghasilkan 2 macam produk, yaitu 2-buten-1-ol dan 3-buten-2-ol.

-Cl- + +

CH3CH= CH –CH2Cl CH3-CH = CH -CH2 CH3-CH - CH =CH2

CH3-CH = CH -CH2OH CH3-CH - CH =CH2 |

OH

Peningkatan laju reaksi benzil halida pada reaksi SN1 disebabkan karena stabilisasi resonansi keadaan transisi yang menghasilkan karbokation. Pada benzil halida ini elektron pi dalam awan pi aromatik cincin benzena ikut membantu menyebarkan muatan positif.Contoh:

CH2Cl-Cl-

CH2+

benil klorida karbokation benzil

Kestabilan karbokation pada karbokation benzil tersebut, disebabkan karena resonansi sebagai berikut:

CH2+ CH2

+

CH2 CH2

+

+

I II III IV

Struktur resonansi I merupakan penyumbang utama pada struktur yang sebenarnya, karena struktur I tersebut memiliki stabilitas aromatik. Karena karbon yang paling positif dalam zat antara adalah karbon benzil, maka karbon inilah yang akan diserang oleh nukleofil.

Vinil halida dan aril halida umumnya tidak reaktif pada reaksi SN1 atau SN2. Kation vinilik dan aril tidak stabil dan tidak terbentuk dengan segera, sehingga halida vinilik dan aril tidak reaktif dalam reaksi SN1. Ketidak reaktifan vinil halida dan aril halida pada reaksi SN2 disebabkan karena ikatan C-X dalam vinil dan aril halida lebih kuat dari pada ikatan C-X dalam alkil halida, disamping itu juga disebabkan karena elektron pi dalam ikatan rangkap dan lingkar benzena akan menolak nukleofil yang menyerang dari belakang. Dengan demikian maka urutan kestabilan karbokation dalam reaksi SN1 adalah:

+ + + + + +CH2=CH-CH–CH3 > (CH3)3C > CH2 = CH -CH2 > (CH3)2-CH > CH3CH2 > CH =CH

Alilik tersier allil sekunder primer vinil

Pengaruh struktur terhadap kereaktifan senyawa halida dalam reaksi substitusi nukleofilik pada pelarut non asam dapat dilihat pada tabel 4.3.

Tabel Pengaruh Struktur pada kereaktifan senyawa halida pada reaksi SN1 dan SN2

Struktur SN1 SN2CH3-X

R – CH2-X

R – CH–X|R

R|

R – C–X|

R

R|

Ar – C–X|

R R |

CH2=CH – C–X | R

Ar – CH2–X

Ar – CH–X | R

CH2=CH – CH2–X

CH2=CH – CH–X | R

CH2=CH2–X

Ar – X

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

-

-

+

+

+

-

-

-

+

+

+

+

-

-Keterangan:

(+) : dapat bereaksi R : Gugus alkil( - ) : tidak dapat bereaksi Ar : Gugus aril

Halida alilik dan benzilik primer dan sekunder dapat bereaksi dengan mekanisme SN1 maupun SN2, karena strukturnya mirip dengan alkil halida primer dan sekunder dengan satu atau dua gugus terikat pada atom C pengikat gugus pergi yang tidak menghalangi serangan nukleofil. Senyawa-senyawa ini juga dapat bereaksi SN1 karena dapat membentuk karbokation yang relatif stabil. Hal inilah yang membedakan senyawa-senyawa ini dari halida primer dan sekunder.

Faktor-faktor yang mempengaruhi mekanisme SN1 dan SN2 adalah :1. Struktur alkil halida.

Umumnya alkil halida primer bereaksi dengan mekanisme SN2, alkil halida tersier dengan mekanisme SN1 dan alkil halida sekunder dapat dengan mekanisme SN2 dan SN1. Hal ini disebabkan oleh kerapatan elektron pada atom karbon yang mengikat halida. Pada alkil halida tersier terdapat tiga gugus alkil, bila alkil halida terionisasi maka ion karbonium yang terbentuk lebih stabil, karena adanya efek induksi dari ketiga gugus.

CH3 CH3

| |CH3 – CH2–X CH3 – C–X CH3 – C–X

| | H CH3

SN2 SN2/SN1 SN1

Pada alkil halida primer, hanya terdapat satu gugus alkil, bila alkil halida mengalami ionisasi, maka ion karbonium primer yang dihasilkan tidak stabil.

Semakin stabil ion karbonium yang dihasilkan maka mekanisme reaksi SN1 semakin dominan.

2. Sifat NukleofilBila pelarutnya memiliki polaritas besar kecenderungan alkil halida

mengalami reaksi substitusi dengan mekanisme SN1 semakin besar. Sebaliknya, bila pelarutnya memiliki polaritas kecil atau bukan polar maka kemungkinan untuk terjadinya ionisasi kecil, sehingga yang dominan adalah mekanisme SN2.

3. Sifat dari atom halogen Sifat dari atom halogen tidak berpengaruh pada mekanisme reaksi, hanya

saja dapat mengubah laju reaksi, R-I > R-Br > R-Cl (untuk reaksi SN1 dan SN2)

Substitusi Elektrofilik Senyawa AlifatikA. Mekanisme Reaksi Substitusi Elektrofilik

Perbedaan mekanisme reaksi substitusi elektrofilik dengan mekanisme reaksi substitusi nukleofilik, terletak pada spesies penyerang dan gugus pergi. Pada reaksi substitusi elektrofilik, spesies penyerang dan gugus perginya adalah suatu elektrofil (asam menurut konsep Lewis ). Pada dasarnya perubahan yang terjadi pada reaksi substitusi elektrofilik adalah suatu elektrofil (asam menurut konsep Lewis) membentuk sebuah ikatan baru dengan atom karbon substrat dan salah satu substituen pada karbon tersebut lepas tanpa membawa pasangan elektronnya. Elektrofilnya dapat berupa ion positif, atau ujung positif suatu dipol, atau dipol terinduksi. Secara umum persamaan reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut:

R – X + Y + → R – Y + X+

Substrat elektrofil hasil substitusi gugus pergi

Mekanisme Reaksi Substitusi Elektrofilik Senyawa AlifatikKemampuan melepaskan proton sangat menentukan kereaktifan senyawa

alifatik dalam substitusi elektrofilik. Oleh karena itu gugus pergi yang paling banyak dijumpai dalam substitusi elektrofilik senyawa alifatik adalah proton. Senyawa yang mudah mengalami reaksi substitusi elektrofilik, contohnya: atom hidrogen yang terikat pada atom karbon yang berposisi alpha (Cα ) terhadap gugus karbonil atau atom hidrogen yang terikat pada atom karbon pada alkuna terminal ( RC ≡ CH) mudah dilepaskan sebagai proton. Sedangkan atom hidrogen pada alkana sukar dilepaskan sebagai proton, sehingga alkana sukar mengalami reaksi substitusi elektrofilik.

Pada reaksi substitusi elektrofilik dikenal empat macam mekanisme yaitu: SE1, SE2 (depan), SE2 (belakang) dan SEi. SE1 adalah substitusi elektrofilik unimolekuler sedangkan SE2 dan SEi adalah substitusi elektrofilik bimolekuler.

1. Mekanisme substitusi elektrofilik unimolekuler (SE1)Mekanisme reaksi substitusi elektrofilik unimolekuler (SE1) terdiri dari dua

tahap, yaitu tahap ionisasi yang berlangsung lambat dan merupakan tahap penentu laju reaksi, dan tahap penggabungan karbanion dengan elektrofil yang berlangsung cepat.

lambatTahap 1. R-X R- : + X+

cepatTahap 2. R- : + Y+ R – Y

Elektrofil

Laju reaksi yang mengikuti mekanisme SE1 tidak dipengaruhi oleh konsentrasi elektrofil karena tahap penentu laju reaksi adalah tahap ionisasi (pembentukan karbanion). Contohnya adalah reaksi brominasi pada atom karbon yang mengikat gugus penarik elektron yang dikatalisis oleh basa. Pada reaksi brominasi 2-nitropropana, laju reaksi tidak dipengaruhi oleh konsentrasi brom tetapi hanya dipengaruhi oleh konsentrasi 2-nitropropana.

Tahap 1:

N +

CCH3 CH3OH-

H

CH3 C + H2O:CH3

NO2O O

- -OO

CH3CH3 C

N

2-nitropropana

-

- -

- -

Tahap 2:

CH3 CH3CH3 C

NO2

CH3C + Br Br

Br

NO2

+ Br

2-bromo-2-nitropropana

-

Produk reaksi yang mengikuti mekanisme SE1 dapat menghasilkan produk dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi), atau rasemisasi, atau pembalikan konfigurasi (inversi) sebagian, tergantung pada faktor-faktor kestabilan karbanion, konsentrasi elektrofil, kekuatan elektrofil, dan konfigurasi karbanion. Reaksi akan menghasilkan produk rasemisasi jika :1). Karbanion terstabilkan oleh delokalisasi dan konsentrasi elektrofil rendah

atau kekuatan elektrofilnya rendah, 2). Karbanion berstruktur datar dan muatan negatif terdelokalisasi sehingga

elektrofil dapat menyerang karbanion dari kedua sisi, 3). Karbanion berstruktur tetrahedral tetapi membentuk campuran

kesetimbangan anion enantiomerik dengan laju yang lebih cepat daripada laju pembentukan produk.

Karbanion yang berstruktur tetrahedral digambarkan sebagai berikut:

C

c

b

aa

b

c

C

Contoh reaksi SE1 yang menghasilkan campuran rasemat adalah reaksi antara anion 2-fenil-2-sianobutanoat dengan metanol:

C CCH3OH

O

OH5C6

H5C2

CN

lambatC-

NCC2H5

C6H5

+ CO2

karbanion datar

C6H5

C2H5NC-C + H-OCH3

cepatC2H5 - C - H + CH3O-

CN

C6H5

Reaksi SE1 yang berlangsung dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi) dapat terjadi dengan dua cara:

1). Karbanion berstruktur datar dan tersolvasi secara tidak simetris oleh elektrofil pada sisi yang sama dengan kedudukan gugus pergi,

2). Karbanion berstruktur tetrahedral dan elektrofil terikat sebelum karbanion berubah ke struktur enantiomernya. Contoh reaksi SE1 yang berlangsung dengan mempertahankan konfigurasi semula adalah:

C

n-C6H5H3C

C6H5SO2

D + OCH3 - (CH3)2SO

25 oCC6H5SO2

H3C

n-C6H5

CC6H5SO2

H3Cn-C6H5

C HHOCH3

enantiomer murniretensi 90 %

Reaksi SE1 yang menghasilkan produk dengan pembalikan konfigurasi (inversi) terjadi pada sistem dengan karbanion berstruktur datar dan tersolvasi secara tidak simetris sebagai zat antara (intermediate). Anion ini tersolvasi pada sisi yang sama dengan kedudukan gugus pergi oleh molekul yang terbentuk dari gugus pergi dan elektrofil menyerang dari sisi yang berlawanan.Contoh:

Reaksi antara anion 3-fenil-2,3-dimetil-2-pentanol dengan etilena glikol.

HOCH2

C2H5H3C

210 oCCH3 C

C6H5

H3C

C2H5

C

CH3

O-

+ HOCH2CH2OH

(elektrofil)

CH2O-H C C CH3

O

C2H5 CH3

-

karbanion tersolvasi tak simetris sebagai zat antara

H - *C + C = O

CH3

CH3CH3

C6H5

C2H5

+ CH2OHCH2O-

2. Mekanisme substitusi elektrofilik bimolekuler (SE2 dan SEi)Mekanisme reksi substitusi elektrofilik bimolekuler pada senyawa alifatik

terjadi melalui pemutusan ikatan antara gugus pergi dengan substrat dan pembentukan ikatan baru antara elektrofil dengan substrat berlangsung dalam waktu yang bersamaan. Oleh karena itu laju reaksi dipengaruhi oleh konsentrasi elektrofil dan substrat. Contohnya adalah reaksi perubahan alkil merkuri iodida menjadi alkil iodida dengan elektrofil ion triiodida dengan mekanisme sebagai berikut:

CH3CH2CH2 Hg I + I I I- H2O

dioksanCH3CH2CH2 I + HgI2 + I-

Pada mekanisme SE2, ada dua kemungkinan arah serangan elektrofil terhadap substrat, yaitu dari arah depan, yang disebut dengan SE2 (depan) dan dari arah belakang, yang disebut dengan SE2 (belakang) dapat digambarkan sebagai berikut:

C X

c

b

a Y+ a

b

c

C Y + X+ (SE2 depan)

a

bc

XC

a

b

c

C YY+ + X+ (SE2, belakang)

Apabila reaksi terjadi pada substrat kiral maka akan terbentuk hasil reaksi dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi) pada mekanisme SE2 (depan), dan terjadi pembalikan konfigurasi (inversi) pada mekanisme SE2 (belakang). Jika elektrofil menyerang substrat dari arah depan ada kemungkinan mekanisme yang ketiga, yaitu salah satu bagian elektrofil membantu lepasnya gugus pergi dan dalam waktu yang bersamaan terbentuk ikatan baru dengan substrat.

+ X-ZYC

c

ba

C X

c

ba

Y Z

Mekanisme ini disebut dengan mekanisme SEi dan menghasilkan produk dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi).

Ketiga mekanisme reaksi subtitusi elektrofilik bimolekuler tersebut [SE2 (depan), SE2 (belakang) dan SEi] sukar dibedakan. Ketiganya hanya dapat dibedakan dengan mengakaji secara mendalam aspek stereokimianya.

Kebanyakan reaksi substitusi elektrofilik bimolekuler (orde kedua) menghasilkan produk dengan mempertahankan konfigurasi semula. Hal ini berarti bahwa pada umumnya reaksi berlangsung dengan mekanisme dimana elektrofil menyerang substrat dari arah depan, SE2 (depan) atau SEi.

C C

H

CH3 Hg Br + Br Br

C2H5

CH3

H

Br + HgBr2

C2H5

Kenyataan ini berlawanan dengan mekanisme SN2. Pada mekanisme SN2, nukleofil menyerang atom karbon yang mengikat gugus pergi, sedangkan pada mekanisme SE2 elektrofil menyerang elektron yang mengikat atom karbon dan gugus pergi. Oleh karena itu reaksi berlangsung lebih cepat jika elektrofil menyerang substrat dari sisi yang sama dengan kedudukan gugus pergi daripada sebaliknya karena adanya halangan sterik.

3. Substitusi elektrofilik yang disertai dengan perpindahan ikatan rangkap

Penataan ulang akan terjadi pada produk reaksi, jika reaksi substitusi elektrofilik terjadi pada substrat alilik.

| |―C = C ―C ― X + Y + ―C = C ―C ― Y + X-

| |

Mekanisme pembentukan produk yang mengalami penataan ulang tersebut dapat terjadi dengan dua cara yaitu:1. Reaksi berlangsung seperti pada mekanisme SE1, dimana gugus pergi lepas

lebih dahulu membentuk karbanion yang distabilkan olah resonansi dan diikuti dengan serangan elektrofil.

| | | -X+ |C = C ―C ― X ―C = C ―C ― Y + X-

| | |

2. Elektrofil Y+ menyerang substrat lebih dahulu membentuk karbokation dan

diikuti dengan lepasnya X+ sebagai gugus pergi.

C = C C X -X+ C = C C C C = CY+

Y C C = C

produk

Pada umumnya penataan ulang elektrofilik alilik melibatkan hidrogen sebagai gugus pergi, meskipun juga dapat terjadi pada senyawa organologam dengan ion logam sebagai gugus pergi.

produkY

C = CCCC CXC= CC

Y+

Y

X+

+ X+

Hubungan antara struktur substrat dan kereaktifannya dalam subtitusi elektrofilik senyawa alifatik

Pada mekanisme reaksi SE1, memiliki tahap penentu laju reaksi mirip seperti pelepasan proton dari suatu asam. Oleh karena itu adanya gugus-gugus pendorong elektron akan mengurangi laju reaksi dan sebaliknya gugus-gugus penarik elektron akan menambah laju reaksi. Pada mekanisme reaksi SE2 (belakang) kereaktifan substrat seperti halnya pada mekanisme SN2, yaitu semakin besar gugus alkil semakin besar pula halangan steriknya sehingga laju reaksinya akan semakin kecil. Jadi urutan kereaktifannya adalah: Me > Et > Pr > i-Pr > neopentil.

Pada mekanisme reaksi SE2 (depan) laju reaksi bergantung pada jenis reaksinya. Contohnya adalah reaksi antara : RHgBr + Br2 → RBr + HgBr2 yang dikatalisis oleh basa diperoleh hasil seperti tercantum pada Tabel 5.1.

Tabel 5.1 Laju reaksi relatif RHgBr dengan Br2

R Laju reaksi relatif

MeEtIso-prt-buiso-buneopentil

110,878033701,240,173

Dari tabel tersebut terlihat bahwa adanya cabang pada posisi meningkatkan laju reaksi sedangkan cabang pada posisi β menurunkan laju reaksi. Bertambahnya laju reaksi oleh bertambahnya cabang pada posisi

karena pengaruh sifat pendorong elektron dari gugus alkil yang menstabilkan keadaan transisi yang bersifat kekurangan elektron.

Contoh-contoh reaksi subtitusi elektrofilik pada senyawa alifatik:1. Reaksi substitusi hidrogen oleh deuterium atau tritium.

R - H + D+R - D + H+

R - T + H+R - H + T+

Substitusi hidrogen yang terikat pada atom C oleh deuterium berlangsung lebih sukar daripada subtitusi hidrogen yang terikat pada N (trivalen), O atau Halogen. Hal ini disebabkan molekul-molekul NH3, H2O dan HX (asam halogen) memiliki pasangan elektron bebas sehingga ion deuterium dengan cepat dapat mengikatkan diri padanya.

D+ + :NH3 D - NH3+

D - NH2 + H+

D - OH + H++

D - OH2D+ + :OH2

D+ + :Cl-H D - Cl-H+

D - Cl + H+

Pada alkana tidak terdapat pasangan elektron bebas, sehingga agar dapat terjadi substitusi oleh deuterium harus didahului dengan proses eliminasi.

R - C - H

H

H H

H

R - C + H_ +

H

H

R - C - D

Pemutusan ikatan C-H pada alkana memerlukan energi cukup besar, sehingga pemutusan tersebut hanya mungkin terjadi jika dibantu oleh adanya katalis atau bila ikatan C-H diperlemah oleh gugus penarik elektron. Jika atom C mengikat gugus penarik elektron seperti –NO2 maka ikatan C-H menjadi lemah sehingga atom H mudah dilepaskan sebagai proton. Urutan gugus-gugus penarik elektron berdasarkan keefektifannya dalam mempermudah substitusi adalah:

\ -2

― NO2 > C=O > ―CN > C=O > ―SO3 > ― Cl / | O-‾ 2. Reaksi substitusi logam dalam senyawa organologam oleh hidrogen,

pola umumnya :

R – L + H+ R – H + L+ ( L = logam)

Contoh: reaksi senyawa organo-magnesium dengan air atau asam,

RMgBr + HOH R – H + Mg(OH)Br RMgBr + HBr R – H + MgBr2

Reaksi metalasi juga termasuk dalam tipe ini.

C6H6 + C2H5Na C6H5Na + C2H6

Reaksi-reaksi berikut ini sering digunakan untuk mengukur keasaman relatif hidrokarbon.

C6H5 Na + C6H5CH3 C6H5CH2Na + C6H6

C6H5 CH2Na + ( C6H5)2CH3 (C6H5)2CHNa + C6H5CH3

(C6H5) CHNa + ( C6H5)3CH (C6H5)3CNa + ( C6H5)2CH2

Reaksi-reaksi di atas menunjukkan bahwa urutan keasaman hidrokarbon adalah:

Ar3CH > Ar2CH2 > ArCH3 > ArH > RH

Keasaman toluena terjadi karena adanya stabilisasi resonansi pada anion yang terbentuk oleh lepasnya proton. Hidrokarbon aromatik lebih asam daripada alkana karena atom karbon sp2 lebih elektronegatif daripada sp3. Umumnya dengan bertambahnya karakter s pada orbital hibrida akan menambah kestabilan pasangan elektron dalam orbital. Alkuna terminal, yang mempunyai hidrogen yang terikat pada (atom C) orbital sp sehingga bersifat asam. Oleh karena itu alkuna terminal mudah mengalami reaksi metalasi oleh pereaksi Grignard.

+ +CH3C ≡ C – H + C2H5MgBr CH3C≡CMgBr +

C2H6

3. Reaksi substitusi logam dalam senyawa oraganologam oleh halogen, pola umumnya :

R – L + X + → R – X + L+

Senyawa organologam

Reaksi yang mengikuti tipe reaksi di atas sering dijumpai pada senyawa organolitium dan organomerkuri yang direaksikan dengan brom. Pada senyawa organomerkuri, reaksinya berlangsung lebih cepat jika ada katalis (misalnya piridina) yang membantu pembelahan heterolitik molekul brom. Senyawa alkil atau arillitium biasanya dibuat dari reaksi antara alkil litium dengan alkil atau aril halida. Reaksi tersebut memberikan hasil yang sangat baik jika atom karbon organolitium yang dihasilkan lebih dapat menstabilkan muatan negatif daripada organolitium semula. Contoh reaksi pembuatan arilitium.

CH3CH2CH2Li + CH3CH2CH2Br +

Br Li

4. Reaksi karbonasi senyawa orgnologam.Karbonasi senyawa organologam merupakan reaksi subtitusi elektrofilik

pada atom C yang berikatan langsung dengan atom logam, misalnya pada reaksi:

R MgX + C R-C + MgX

O

O

O

O

_

+

5. Reaksi dekarboksilasi pada asam karboksilat atau garam dari asam karboksilat.

Reaksi dekarboksilasi dapat terjadi pada asam-asam karboksilat yang mengikat gugus penarik elektron pada atom C yang membebaskan karbondioksida. Reaksi ini melewati pembentukan zat antara karbanion yang terstabilkan oleh resonansi. Contohnya adalah reaksi dekarboksilasi pada asam nitroasetat.

O2NCH2CO2H O2N - CH2 C OH- O

O_ O_

ON CH2

-+

panas

-CO2

+CH2N

O

O_

_

H2O

CH3NO2

nitrometana

asam nitroasetat

Reaksi dekarboksilasi pada asam malonat dan asam-asam b-ketokarboksilat terjadi dengan mekanisme yang serupa melalui pembentukan zat-antara enolat. Kedua kelompok senyawa tersebut dapat mengalami reaksi dekarboksilasi dengan membentuk enol yang segera berubah menjadi bentuk tautomernya yang lebih stabil.

CH3 C C = O

O

H

O

CH2

CH3 C = CH2 CH3 C CH3

OOH

Reaksi dekarboksilasi pada garam karboksilat, misalnya terjadi pada garam perak dengan adanya brom.

R C

O

O Ag

+ Br Br R Br + CO2+ AgBr

6. Reaksi pemutusan ikatan karbon-karbon.Reaksi ini terjadi dibawah pengaruh zat yang bertindak sebagai donor

proton dan ditandai adanya pemutusan ikatan C-C melalui substitusi elektrofilik.

Substitusi Nukleofilik Senyawa Aromatik

A. Mekanisme Reaksi Substisusi Nukleofilik Senyawa AromatikSenyawa aromatik tidak reaktif terhadap serangan nukleofil. Contoh:

klorobenzena bila dididihkan bersama dengan NaOH tidak akan menghasilkan fenol pada kondisi reaksi yang biasa. Ketidakreaktifan klorobenzena ini disebabkan oleh: (1) atom-atom karbon tidak jenuh pada klorobenzena kaya elektron, sehingga

nukleofil yang juga kaya elektron tidak akan menyerang atom-atom karbon tidak jenuh tersebut, menyebabkan reaksi SN2 tidak berlangsung.

(2) kation fenil (karbokation fenil) sangat tidak stabil, bahkan kestabilannya lebih rendah dari pada karbokation primer, sehingga reaksi SN1 juga tidak akan berlangsung pada klorobenzena ini,

(3) ikatan C-X pada klorobenzena lebih pendek dan lebih kuat dari pada ikatan C-X pada alkil, alil dan benzil halida sehingga diperlukan energi yang tinggi untuk memutuskan ikatan C-X tersebut. Faktor yang menyebabkan ikatan C-X pada klorobenzena lebih pendek dan

lebih kuat dari pada ikatan C – X pada alkil halida, benzil halida adalah: (1) Atom karbon pada klorobenzena berhibridisasi sp2, sehingga elektron pada

orbital karbon ini lebih dekat ke inti dari pada orbital sp3. (2) Adanya resonansi yang memberikan karakter ikatan rangkap pada C – X .

X X +

-

+X

-

X +

-

Contoh-contoh Reaksi Substitusi Nukleofilik Senyawa Aromatik 1.

2.

3.

4.

NO2 NO2

O2 O2 Cl + NH3 OHN N + HCl

+ NaNH2Cl

CF3

NH3 cair

CF3

+ NH2-

+ NaCl

NO2 NO2NaOCH3 O2 20 C

o

N + NaCl

Cl

N O2

NO2

+

OCH3

NO2

Br + NaCN (aq) 100 oC CN + NaBr

5.

6.

7.

8.

Reaksi substitusi nukleofilik pada senyawa aromatik berlangsung melalui 2 tahap yaitu: (1) serangan nukleofil yang berlangsung dengan lambat dan menghasilkan suatu karbanion. Tahap ini merupakan tahap penentu laju reaksi. (2) lepasnya gugus pergi dari karbanion yang berlangsung cepat.

Mekanisme reaksi pada masing-masing tahap tersebut dapat dilihat sebagai berikut:Tahap 1:

X

+ Y-lambat

Y X

-

Produk pada tahap 1 tersebut merupakan hibrida resonansi dari struktur-struktur berikut:

Y X

-

XY XY

-

-

Tahap 2:

-

XY

cepat

Y

+ X-

Mekanisme reaksi di atas, merupakan reaksi bimolekular sehingga dinamakan mekanisme SNAr, yang berarti substitusi nukleofilik pada senyawa aromatik. Serangan nukleofil dan lepasnya gugus pergi terjadi secara serentak tanpa pembentukan zat antara.

Salah satu bukti yang menunjukkan adanya mekanisme substitusi nukleofilik pada senyawa aromatik adalah zat antara yang dapat diisolasi dari

NO2

+

NO2

O2N

Cl

+ HClN

NO2

O2N

H

OCH3

NH2KNH2

OCH3

+

NH2 cairBr + KBr +

-

NH2

+ NH2

CH3

N2

CH3

Cl + CuCN+

CN

I+

+

CH3

N2

CH3

N2 + I -

reaksi etil pikrat dengan ion metoksida. Zat antara tersebut adalah garam yang cukup stabil yang disebut garam Meisenhelmer. Persamaan reaksi pada pembentukan hasil antara tersebut dapat di tuliskan sebagai berikut:

N NO2 + CH3OO2

NO2

O-C2H5 O-C2H5

O2NO2 N

N+

O O --

H3CO

Senyawa aromatik pada kondisi yang tertentu, dapat pula mengalami reaksi substitusi nukleofilik melalui mekanisme eliminasi adisi yang melibatkan pembentukan zat antara yang disebut “benzyne” (benzuna). Contoh reaksi antara bromobenzena dengan ion amida (NH2) yang bersifat basa kuat dalam pelarut NH3 cair akan menghasilkan anilina dengan persamaan reaksi:

+ KNH2

Br

NH3 cair

NH2

+ KBr

Mekanisme reaksinya adalah:

+ KBrNH3

Br

+ NH2-

H

+

+-eliminasi

adisi + NH2-

NH2

-

NH2

+ NH2-NH3 (H + NH2)

+ -

Ion amida menarik proton orto pada langkah eliminasi. Proton yang berposisi orto terhadap gugus pergi menghasilkan produk eliminasi yang sangat tidak stabil dan sangat reaktif yang disebut benzuna. Pada langkah berikutnya yaitu adisi H+ dari NH3 pada benzuna mengahasilkan anilina.

Roberts membuktikan bahwa benzuna dapat terbentuk, bila mereaksikan bromobenzena yang mengandung isotop 14C dengan ion amida (NH2) dalam pelarut NH3 cair, ternyata menghasilkan 2 macam anilina yang masing-masing mengandung isotop 14C. Pada 2 macam anilina tersebut posisi gugus NH2 pada atom C berbeda.

+ NH2

NH2

NH2

-+ NH2KNH2

Br

NH3

C14

NH3 cair cair

C14

c14

c14

Reaksi substitusi nukleofilik pada senyawa aromatik, selain tidak melalui mekanisme SN2, juga tidak melalui mekanisme SN1. Tetapi bila senyawa aromatiknya berupa garam benzena diazonium, dapat terjadi substitusi nukleofilik dengan mekanisme SN1. Sebagai contoh: jika benzena diazonium klorida direaksikan dengan nukleofil OH-, akan terjadi reaksi dua langkah dengan

disertai pembentukan zat antara ion karbonium (karbokation) seperti halnya pada reaksi SN1 mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut: Langkah 1: pembentukan karbokation

N

+ NH2

+N

+

Langkah 2: serangan nukleofil terhadap karbokation menghasilkan produk

+ OH-+ OH

Beberapa bukti yang menguatkan adanya mekanisme SN1 dalam reaksi-reaksi garam diazonium dengan nukleofil adalah:1. Laju reaksinya hanya tergantung pada konsentrasi garam diazonium dan

tidak tergantung pada konsentrasi nukleofil.

Bila dalam campuran reaksi ditambahkan garam halida dengan konsentrasi tinggi, akan dihasilkan aril halida, tetapi laju reaksinya tidak dipengaruhi oleh konsentrasi garam halida yang ditambahkan

B. Hubungan Antara struktur substrat dan kereaktifannya dalam substitusi nukleofilik senyawa aromatik

Adanya substituen yang menarik elektron yang terikat pada cincin dapat meningkatkan reaktifitas senyawa halida aromatik (aril halida) terhadap nukleofil dalam reaksi substitusi nukleofilik. Gugus penarik elektron yang terikat pada cincin (inti) aromatik ini, maka cincin (inti) menjadi kekurangan elektron dan memudahkan bagi nukleofil yang akan menyerang.

Perhatikan contoh reaksi berikut:

Cl + NaOH 350 Co

300 atmOH

OHo130 - 160 C

+ NaOHCl

NO2 NO2

NaHCO3 (aq)

NaHCO3 (aq) O2

O2 Cl + NaOH

130 - 160 Co

OHN N

NN OHo

130 - 160 C

+ NaOHCl O2 O2NaHCO3 (aq)

NO2NO2

NO2 NO2NaHCO3 (aq)

O2 O2 Cl + NaOH

130 - 160 Co

OHN N

NO2NO2

Banyaknya gugus NO2 yang berposisi orto atau para tehadap gugus pergi (-Cl) dapat mempengaruhi temperatur reaksi yang diperlukan oleh reaksi. Temperatur tertinggi terjadi pada klorobenzena dan yang terendah pada 2,4,6-triklorobenzena. Hal ini menunjukkan bahwa adanya gugus penarik elektron pada inti meningkatkan reaktivitasnya terhadap serangan nukleofil. Makin banyak gugus penarik elektron pada posisi orto atau para makin tinggi reaktivitasnya dan laju reaksinya semakin cepat.

Bila gugus NO2 berada pada posisi meta terhadap gugus pergi ternyata tidak memiliki efek mengaktifkan cincin bila ada serangan nukleofil. Karena itu bila m-nitroklorobenzena direaksikan dengan nukleofil (misalnya suatu amina) pada temperatur 180-1900C tidak akan memberikan hasil apapun, meskipun temperatur yang digunakan sudah cukup tinggi.

Mekanisme reaksi substitusi aromatik nukleofilik pada nitroklorobenzena adalah bimolekular yang melibatkan pembentukan zat antara yang disebut kompleks Meisenheimer. Dalam kompleks tersebut nukleofil dan gugus pergi keduanya terikat pada atom C substrat. Untuk reaksi antara para nitroklorobenzena dengan OH-, maka pembentukan kompleksnya dapat dituliskan sebagai berikut.

NN

OH

+ NaOH

Cl

O2 O2 O2

OH

N

Cl

+ Cl

kompleks Meisenheimer

Zat antara karbanion tersebut tidak stabil, tetapi karbanion ini akan terstabilkan oleh resonansi dan penyebaran muatan positif dari gugus penarik elektron. Struktur resonansi zat antara ini menunjukkan bahwa substituen penarik elektron pada posisi orto atau para lebih menstabilkan karbanion tersebut daripada substituen berposisi meta. Perhatikan struktur-struktur resonansi dari zat antara yang tersubstitusi pada posisi orto, meta, dan para berikut ini:

Struktur resonansi untuk zat antara tersubtitusi orto.

OH

Cl

NO2

OH-

N=O

Cl

O

-

O

Cl

N=O

OH

O

Cl

N O

OH

OH

N=O

Cl

O

--

__

_ _ _

sangat stabil

+ + +

+

Struktur resonansi untuk zat antara tersubtitusi meta.

Cl

NO2

OH_

N =O

_

Cl

OH

O

+

_ _

+

O

OH

Cl

N =O

_

_

N =O

Cl

OH

O

+

_

Struktur resonansi untuk zat antara tersubtitusi para.

_

+

O

OHCl

N =O

_

_

N =O

ClOH

O

+

__

+

O

OHCl

_

N =O

_OHNO2 Cl

_

+

O

OHCl

N O _

sangat stabil

Pada senyawa klorobenzena dengan gugus NO2 pada posisi orto dan para pada salah satu struktur resonansi zat antaranya muatan negatif dari inti berdampingan dengan gugus penarik elektron dapat menstabilkan karbanion. Pada substitusi meta hal ini tidak terjadi, sehingga substitusi meta kurang menstabilkan karbanion dibandingkan substitusi orto dan para. Bila gugus substituennya nitro, akan diperoleh struktur yang sangat stabil karena gugus nitro tersebut membantu penyebaran muatan negatif dengan cara resonansi. Jadi dapat disimpulkan bahwa bila substituennya pada posisi orto atau para lebih menstabilkan zat antara karbanion dari pada substituen meta.

Substitusi nukleofilik aromatik sangat sukar berlangsung, jika pada cincin aromatik tidak ada substituen penarik elektron. Namun reaksi pada senyawa aromatik ini, reaksi akan berlangsung lewat mekanisme eliminasi-adisi melalui pembentukan hasil antara benzuna atau aruna.

Substitusi Elektrofilik Senyawa Aromatik

Mekanisme Reaksi Substitusi Elektrofilik Senyawa AromatikKerapatan elektron π yang tinggi pada inti benzena dapat menyebabkan

benzena dapat menarik spesies yang bermuatan positif (elektrofil), sehingga benzena mudah sekali mengalami reaksi substitusi elektrofilik. Sebagian besar reaksi substitusi elektrofilik pada senyawa aromatik berlangsung dengan mekanisme ion arenium. Dalam mekanisme ini langkah pertamanya adalah serangan elektrofil pada inti benzena menghasilkan zat – antara (intermediate) yang bermuatan positif yang disebut dengan ion benzenonium. Pada langkah kedua terjadi proses lepasnya gugus pergi dari ion benzenonium membentuk produk.

Pada mekanisme reaksi substitusi elektrofilik senyawa aromatik, jika spesies penyerang berupa ion positif (misalnya E+) , maka serangan pada senyawa aromatik (misalnya benzena) akan menghasilkan karbokation yang tahap-tahapnya adalah sebagai berikut:

Tahap – 1:

H+ E+ lambat

H

E E

H

++

+

H

E

(1) (2) (3)

ion benzenonium

Pada tahap ini elektrofil mengambil dua elektron dari 6 elektron pada inti benzena dan membentuk ikatan dengan salah satu atom karbon cincin benzena. Pembentukan ikatan ini akan merombak sistem aromatik yang ada karena pada pembentukan ion benzenonium atom karbon yang membentuk ikatan dengan elektrofil berubah dari hibridisasi sp2 menjadi sp3 dan tidak lagi memiliki orbital p. Keempat elektron ion benzenonium terdelokalisasi pada kelima orbital p.

Struktur (1), (2) dan (3) adalah struktur resonansi penyumbang pada struktur ion benzenonium yang sebenarnya. Struktur ion benzenonium yang sebenarnya merupakan hibrida dari struktur-struktur resonansi tersebut. Struktur (1) sampai dengan (3) seringkali digambarkan dengan struktur (4) sebagai berikut.

+

H

E

(4)

Ion arenium seringkali disebut juga dengan nama kompleks Wheland atau kompleks (sigma).

Tahap – 2:

E

H

+ cepatE

+ H+

Pada tahap-2 ion benzenonium melepaskan proton dari atom karbon yang mengikat elektrofil. Atom karbon yang mengikat elektrofil berubah kembali menjadi hibridisasi sp2 dan inti benzena memperoleh kestabilannya kembali.

Langkah dalam tahap 2 tersebut lebih cepat daripada tahap 1, karena itu langkah penentu laju reaksinya adalah tahap 1 dan reaksinya merupakan reaksi orde kedua.

Hubungan antara struktur substrat dan kereaktifannya dalam substitusi elektrofilik senyawa aromatik.

Hasil monosubstitusi benzena pada reaksi substitusi elektrofilik, maka substituen yang telah ada tersebut akan berpengaruh pada laju reaksi dan arah serangan. Berlangsungnya proses substitusi tersebut dapat lebih cepat atau lebih lambat daripada benzena. Sedangkan gugus baru mungkin diarahkan pada posisi orto, meta, atau para.

Gugus-gugus yang meningkatkan laju reaksi dinamakan gugus pengaktif sedangkan gugus yang memperlambat laju reaksi disebut gugus pendeaktif. Gugus-gugus yang termasuk kelompok pengarah orto-para sebagian bersifat pengaktif dan sebagian lainnya bersifat pendeaktif, sedangkan gugus-gugus pengarah meta semuanya termasuk dalam kelompok pendeaktif. Jika suatu gugus dikatakan sebagai pengaruh orto-para tidak mutlak diartikan bahwa gugus yang baru seluruhnya diarahkan keposisi orto dan para. Contohnya reaksi nitrasi pada toluena menghasilkan isomer orto = 59%, para = 37% dan meta = 4%.

Pada Tabel dapat dilihat tentang gugus-gugus yang berperan dalam reaksi substitusi elektrofilik senyawa aromatik disusun berdasarkan efek orientasi dan pengaruhnya terhadap kereaktifan inti.

Tabel Efek substituen pada substitusi elektrofilik senyawa aromatikPengarah Orto-Para Pengarah Meta

Pengaktif kuat .. .. .. – NH2, – NHR, – NR2 .. .. – OH, – O:-

.. .. Pengaktif sedang .. .. .. .. – NHHCOCH3, – NHCOR, – OCH3, – OR .. ..Pengaktif lemah – CH3, – C2H5, – R, – C6H5,Pendeaktif lemah .. .. .. .. – F: , – Cl: , – Br: , – I:

Pendeaktif sedang

– C≡ N , – SO3H, – CO2H, – CO2R, –CHO, –COR,

Pendeaktif kuat +– NO2, – NR3, – CF3, – CCl3

Contoh-contoh reaksi substitusi elektrofilik pada senyawa aromatik.Jenis reaksi substitusi elektrofilik yang dapat terjadi pada senyawa-

senyawa aromatik, seperti reaksi-reaksi halogenasi, nitrasi, sulfonasi, alkilasi Friedel-Crafts dan asilasi Friedel-Crafts.

1. Halogenasi

a. Halogenasi dengan Brom atau KlorTanpa adanya asam Lewis dalam campuran reaksinya, bezena tidak dapat

bereaksi dengan brom atau klor. Akibatnya benzena tidak dapat menghilangkan warna larutan brom dalam karbon tetraklorida. Bila ada asam Lewis maka benzena dengan cepat bereaksi dengan brom atau klor, dan menghasilkan bromobenzena atau klorobenzena.

Klorobenzena (90%)

HCl

Cl

++ Cl2

FeCl3

25oC

panas

FeCl3Br2+

+

Br

HBr

Bromobenzena (75%)

Asam Lewis yang paling umum digunakan pada reaksi klorinasi dan brominasi adalah: FeCl3, FeBr 3, dan AlCl3.Mekanisme brominasi benzena dapat dituliskan sebagai berikut:

Tahap 1

+Br Br + FeBr3 FeBr3

+BrBr Br Br

+FeBr3

- -

ion bromoniumTahap 2

H

+

+ +

HH

lambat+ Br+

H Br Br Br

Tahap 3H FeBr3Br

Br+

Br+ H - Br + FeBr3

Asam Lewis berfungsi dalam pembentukan kompleks dengan Br2 yang selanjutnya terurai membentuk ion bromonium dan FeBr4

-. Pada tahap 2 ion Br+

menyerang inti benzena membentuk ion benzonium. Pada tahap 3 ion benzenonium memberikan proton kepada FeBr-

4 dan hasil akhir yang diperoleh adalah bromobenzena dan hidrogen bromida. Pada akhir reaksi katalis FeBr3

terbentuk kembali.

Reaksi klorinasi benzena dengan katalis asam Lewis berlangsung dengan mekanisme yang serupa dengan reaksi brominasi. Fungsi asam Lewis dalam hal ini adalah membantu transfer ion kloronium (Cl+).

b. Halogenasi dengan FluorFluor bereaksi sangat cepat dengan benzena sehingga memerlukan

kondisi dan peralatan khusus. Bahkan sukar membatasi terbentuknya monofluorinasi. Oleh karena itu monofluorobenzena dibuat dengan cara tidak langsung, yaitu dengan mereaksikan garam diazonium dengan HBF4 dalam keadaan panas.

++ HBF4

N2Cl+ -

N2 + HCl + BF3

Fpanas

c. Halogenasi dengan IodSebaliknya, iod sangat tidak reaktif terhadap benzena sehingga diperlukan

cara khusus untuk memperoleh iodobenzena. Salah satu cara adalah dengan menambahkan oksidator seperti asam nitrat dalam campuran reaksinya.

HNO3I2+

+

I

HI

(80%)

2. NitrasiBenzena bereaksi lambat dengan asam nitrat pekat panas menghasilkan

nitrobenzena. Reaksi berlangsung lebih cepat jika dilakukan dengan memanaskan benzena bersama-sama dengan campuaran HNO3 pekat dan H2SO4

pekat.

H3 O + HSO4+HNO3

H2SO4++

+NO2 -

50-55oC

Penambahan asam sulfat pekat dapat menambah laju reaksi melalui penambahan konsentrasi elektrofil ion nitronium (NO+

2), yang terbentuk dengan tahap-tahap berikut:Tahap 1

+N

O

O_O_

O

HOSO3 H + H O N + H O + HSO4

_H

+

Tahap 2

O_

O

N +O H+

H

H2O + O = N = O+

ion nitrosonium

Pada tahap 1 asam nitrat memperlihatkan sifat sebagai basa dan menerima proton dari asam sulfat yang lebih kuat. Pada tahap 2 asam nitrat yang telah terprotonkan terurai menghasilkan ion nitronium. Selanjutnya terbentuk tahap-tahap berikut ini.

Tahap 3

lambat

H H

++

+

H

N+

O

O

NO2 NO2 NO2

Tahap 4-

NO2NO2

+

HO H

H +H O H

H

+

Pada tahap 3 ion nitronium menyerang inti benzena membentuk ion benzenonium yang terstabilkan oleh resonansi dan pada tahap 4 ion benzenonium melepaskan proton menghasilkan nitrobenzena.

3. Sulfonasi Pada temperatur kamar benzena bereaksi dengan asam sulfat berasap menghasilkan asam benzena sulfonat. Reaksinya disebut sulfonasi. Asam sulfat berasap adalah asam sulfat yang mengandung gas SO3. Reaksi sulfonasi juga dapat berlangsung jika digunakan asam sulfat pekat meskipun reaksinya lebih lambat.

O

O

25 Co

H2SO4 pekatS

O

S O

O

O

H

asam benzena sulfonat (56%)

Dalam reaksi sulforasi benzena, yang bertindak sebagai elektrofil adalah SO3, baik menggunakan asam sulfat berasap maupun dengan asam sulfat pekat. Mekanisme reaksi sulfonasi yang menggunakan asam sulfat pekat melalui tahap-tahap sebagai berikut:

Tahap 1

2 H2SO4 SO3 + H3O+

+ HSO4_

Tahap 2H

O

O

OS

OS

O

O

_

++ Lambat

struktur resonansiyang lain

Tahap 3

H+

H

+

SO3SO3

_ HSO4_

cepat

_

2SO4

Tahap 4

_S O

O

O

HS O

O

O

O

H

HH + H2O

++ cepat

Semua tahap dalam reaksi sulfonasi merupakan reaksi kesetimbangan. Dengan demikian keseluruhan reaksinya juga merupakan reaksi kesetimbangan, dan secara ringkas dituliskan sebagai berikut:

SO3

+ H2O + H2SO4

H

Dengan mengetahui bahwa semua tahap dalam reaksi sulfonasi adalah reaksi kesetimbangan, maka kedudukan kesetimbangan dapat diatur sesuai dengan kondisi reaksi yang digunakan. Jika digunakan asam sulfat pekat atau

asam sulfat berasap, kedudukan kesetimbangan lebih bergeser kekanan sehingga akan diperoleh asam benzena sulfonat dalam jumlah yang memadai.

Sebaliknya, jika diinginkan untuk menghilangkan gugus asam sulfonat (-SO3H) dari inti benzena dapat digunakan asam sulfat encer dan biasanya diikuti dengan mengalirkan uap air ke dalam campuran reaksi. Pada kondisi seperti ini (konsentrasi air tinggi) kedudukan kesetimbangan akan bergeser kekiri dan akan terjadi reaksi desulfonasi.

Reaksi sulfonasi dan desulfonasi banyak digunakan dalam sintesis senyawa organik tertentu. Hal ini disebabkan karena dengan memasukkan gugus asam sulfonat (SO3H) kita dapat mempengaruhi alur suatu reaksi dan sebaliknya jika pengaruhnya sudah tidak diperlukan lagi dapat dihilangkan melalui desulfonasi.

4. Alkilasi Friedel-CraftsPada tahun 1877, dua orang ahli kimia masing-masing Charles Friedel

(Perancis) dan James M.Crafts (Amerika) menemukan metode baru untuk membuat alkil benzena (ArR) dan asil benzena (ArCOR). Kini reaksi pembuatan kedua kelompok senyawa tersebut masing-masing dinamakan dengan reaksi alkilasi Friedel-Crafts dan reaksi asilasi Friedel-Crafts. Secara umum reaksi alkilasi Friedel-Crafts dituliskan sbb:

+ HX + R-XAlCl3

R

Salah satu contoh reaksi alkilasi Friedel-Crafts adalah reaksi antara isopropil klorida dan benzena dengan katalis aluminium klorida yang tahap-tahapnya dituliskan sbb:Tahap 1

H3C

H3C

CH - Cl + AlCl3 CH - ClH3C

H3C-AlCl3

+ --+

AlCl4

H3C

H3CCH +

Tahap 2

Tahap 3

+

H

CHCH3

CH3

- AlCl3 Cl

AlCl3

CH3

CH3

CH+ HCl +

Pada tahap 1 isopropil klorida dan aluminium klorida membentuk kompleks yang segera terurai membentuk karbokation isopropil dan AlCl4

-. Pada tahap 2, karbokation isopropil bertindak sebagai elektrofil menyerang inti benzena membentuk ion benzenonium. Pada tahap 3 ion benzenonium melepaskan proton membentuk isopropil benzena. Pada tahp ini terbentuk HCl dan dihasilkan AlCl3 kembali.

CH +

H3C

H3CH

CH CH3

CH3

Jika digunakan alkil halida primer maka karbokation tidak terbentuk tetapi alkil halida membentuk kompleks dengan aluminium klorida. Kompleks inilah yang bertindak sebagai elektrofil.

+ -RCH2 ----------- Cl:AlCl3

Meskipun kompleks tersebut bukan karbokation tetapi dapat bertindak seperti karbokation dan dapat mentransfer gugus alkil ke inti benzena.

Reaksi alkil Friedel-Crafts tidak terbatas pada penggunaan alkil halida dan aluminium klorida tetapi juga dapat menggunakan pereaksi lain yang dapat menghasilkan karbokation atau spesies lain yang menyerupai karbokation. Contohnya adalah dengan menggunakan campuran alkena dan suatu asam.

+ CH3CH=CH2

CH(CH3)20o C

HF

Isopropilbenzena (84%)

Disamping itu juga dapat digunakan campuran alkohol dari suatu asam.

BF3

60o C+ HO

sikloheksilbenzena (56%)

Meskipun reaksi alkilasi Friedel-Crafts mempunyai arti penting dalam sintesis alkil benzena, namun reaksi tersebut memiliki beberapa keterbatasan, yaitu:a) Jika karbokation yang terbentuk dari alkil halida, alkena atau alkohol dapat

mengalami penataan ulang dan membentuk karbokation yang lebih stabil maka produk terbanyak adalah yang diperoleh dari reaksi dengan karbokation yang lebih stabil. Contohnya: jika benzena direaksikan dengan n-butilbromida ternyata diperoleh hasil sekunder butilbenzena lebih banyak (64-68%) dari pada n-butilbenzena. Hal ini terjadi karena terjadinya penataan ulang kation butil dari karbokation primer menjadi karbokation sekunder yang lebih stabil.

b) Reaksi alkilasi Friedel-Crafts sukar berlangsung jika pada inti aromatik terdapat gugus penarik elektron kuat atau gugus lain seperti –NH2 atau –NHR atau –NR2. Adanya gugus penarik elektron akan menyebabkan inti aromatik menjadi tuna elektron (electron deficient) sehingga sukar mengalami reaksi subtitusi elektrofilik melalui pembentukan karbokation. Gugus amino (-NH2) atau derivatnya (-NHR; -NR2) berubah menjadi gugus penarik elektron yang sangat kuat jika berada dalam campuaran pereaksi Friedel-Crafts karena bereaksi dengan asam Lewis seperti ditunjukkan pada reaksi berikut:

AlCl3

N NH

H

H

H

AlCl3+ _

+

c) Aril dan vinil halida tidak dapat digunakan sebagai komponen halida karena kedua senyawa tersebut tidak dapat segera membentuk karbokation.

d) Dalam reaksi alkilasi Friedel-Crafts sering terjadi polialkilasi. Hal ini terjadi karena gugus alkil yang bersifat mendorong elektron sehingga

keberadaannya pada inti benzena meningkatkan keaktifan inti benzena terhadap reaksi subtitusi elektrofilik selanjutnya.

5. Asilasi Friedel-CraftsReaksi asilasi adalah reaksi yang mengakibatkan masuknya gugus asil

(R-C=O) kedalam suatu senyawa. Dua buah gugus asil yang lazim dikenal adalah gugus asetil dan gugus benzoil.

CH3 C

O

C

O

gugus asetil

(etanoil) gugus benzoil

Reaksi asilasi Friedel-Crafts merupakan salah satu cara yang efektif untuk memasukkan gugus asil ke dalam inti aromatik. Reaksi asilasi sering dilakukan dengan mereaksikan senyawa aromatik dengan asil halida. Jika senyawa aromatik tidak sangat reaktif, maka dalam melangsungkan reaksinya diperlukan asam Lewis (misalnya AlCl3). Hasil reaksi asilasi Friedel-Crafts adalah suatu aril keton.

C CH3 CH3+

O

Cl

AlCl3

80oC

C + HCl

O

Asetil klorida Asetofenon

(metil fenil keton)

Reaksi asilasi Friedel-Crafts juga dapat dilakukan dengan menggunakan anhidrida asam karboksilat sebagai pengganti asil halida.Contoh:

O

C + CH3 C

80oC

AlCl3

O

+CH3

CH3 C

C CH3O

OAnhidrida asam asetat

O

OH

Pada sebagian besar reaksi asilasi Friedel-Crafts, elektrofilnya adalah ion asilium yang terbentuk dari asil halida dengan cara sbb:

Tahap 1

Tahap 2

Tahap-tahap selanjutnya terjadi sbb:Tahap 3

+_

H3C

H3C

CH Cl AlCl3 C Cl + AlCl3

O

R

+ AlCl4

_R

O

C Cl AlCl3

_+

R C=O C=OR+

ion asilium

+

H

C+ C

R

O+

R

O+

lambat

Tahap 4

Tahap 5

Pada tahap paling akhir aluminium klorida (suatu asam Lewis) membentuk kompleks dengan keton (suatu basa Lewis), tetapi jika kompleks tersebut direaksikan dengan air akan diperoleh keton semula menurut persamaan reaksi berikut:

Tahap 6

R R \ .. _ \ C = O: AlCl3 + 3 H2O C = O : + Al(OH)3 + 3 HCl / /C6H5 C6H5

Dalam reaksi asilasi Friedel-Crafts tidak dijumpai peristiwa poliasilasi karena gugus asil bersifat menarik elektron, sehingga mendeaktifkan inti benzena terhadap serangan elktrofil lebih lanjut.

Berbeda dengan reaksi alkilasi Friedel-Crafts, dalam reaksi asilasi tidak dijumpai peristiwa penataan ulang karena ion asilium sangat stabil (terstabilkan oleh resonansi). Oleh karena itu reaksi asilasi Friedel-Crafts merupakan metode yang lebih baik untuk pembuatan alkil benzena tak bercabang daripada reaksi alkilasi. Contohnya adalah pada pembuatan n-propilbenzena. Bila n-propilbenzena dibuat melalui reaksi alkilasi Friedel-Crafts ternyata diperoleh hasil utama isopropilbenzena sementara n-propilbenzena hanya merupakan hasil minor. Hal ini disebabkan oleh adanya penataan ulang karbokation n-propil menjadi karbokation isopropil yang lebih stabil, sehingga akhirnya diperoleh isopropilbenzena sebagai hasil utama. Masalah tersebut dapat dipecahkan

+O

RC

HAlCl4

_

O

C R

+ HCl + AlCl3

AlCl3+

RC

O

AlCl3C R

O

_

_O

C R

+ AlCl3

+ 3 H2O

O

C R

Al(OH)3+ + 3HCl

dengan menerapkan reaksi asilasi Friedel-Crafts, yaitu dengan mereaksikan benzena dengan propanoil klorida (katalis AlCl3).

O

C + HCl

80oC

AlCl3

Cl

O

+ CH2CH3CH3 C CH2

etil fenil keton

Teori Substitusi Elektrofilik pada Senyawa Aromatik1. Kereaktifan inti aromatik

Inti benzena yang mengikat gugus pengaktif akan bereaksi lebih cepat dalam subtitusi elektrofilik daripada benzena, sedangkan yang mengikat gugus pendeaktif akan bereaksi lebih lambat. Reaksi yang melewati keadaan transisi lebih stabil (Ea lebih rendah) berlangsung lebih cepat daripada reaksi yang melewati keadaan transisi yang kurang stabil (Ea lebih tinggi). Langkah penentu laju reaksi pada sebagian besar reaksi subtitusi elektrofilik pada benzena yang tersubtitusi adalah langkah yang mengahsilkan ion benzenonium. Jika substituen dinyatakan dengan S, maka ion benzenonium yang terbentuk oleh serangan elektrofil E+ dapat dituliskan sbb:

S S S

+ E+ + E H E H

keadaan transisi ion benzenonium

Dengan cara penulisan tersebut diatas berarti bahwa S dapat berposisi orto, meta atau para terhadap elektrofil E. Laju reaksi yang diakibatkan oleh adanya S tergantung apakah S menarik atau mendorong elektron. Jika S gugus pendorong elektron maka reaksi berlangsung lebih cepat daripada benzena. Sebaliknya jika S gugus penarik elektron maka reaksi berjalan lebih lambat.

S S S

Reaksi lebih + E+

cepat

+E H E H S pendorong keadaan transisi ion benzenonium Elektron lebih stabil lebih stabil

S S S

Reaksi lebih

+ E+ lambat

+E H E H S penarik keadaan transisi ion benzenonium Elektron kurang stabil kurang stabil

+

++

++

Gugus-gugus pendorong elektron menyebabkan keadaan transisi lebih stabil, sedangkan gugus-gugus penarik elektron menyebabkan keadaan transisi kurang stabil, dalam arti bahwa S berpengaruh terhadap kestabilan keadaan transisi.

Karena ion benzenonium bermuatan positif, maka gugus pendorong elektron akan meningkatkan kestabilan, sebaliknya gugus penarik elektron akan menurunkan kestabilan ion benzenonium tersebut.

2. Teori Orientasi Faktor yang dapat mentukan orientasi sifat-sifat gugus penarik dan

pendorong elektron dalam reaksi substitusi senyawa aromatik yaitu: efek induksi dan resonansi. Efek induksi adalah efek yang diakibatkan oleh perbedaan keelektronegatifan antara dua atom atau gugus. Contohnya, atom halogen lebih elektronegatif daripada atom karbon sehingga halogen memberikan efek induksi menarik elektron. Disamping itu terdapat gugus-gugus lain yang memberikan efek induksi karena adanya muatan positif atau parsial positif pada atom yang terikat pada inti benzena. + -

S (S = F, Cl, Br)

-

X O O- + ↑+ - ∕∕ │

→―NR3 ( R = alkil atau H) →―C →― X→― N+ →―S―OH ↓ | ║

X- O- O

O O-

║ │→―C―G ↔ →―C+―G (G = H, R, OH atau OR)

Efek menarik atau mendorong elektron dari suatu gugus melalui ikatan pi dinamakan efek resonansi. Contohnya, subtituen-subtituen nitro, siano dan karbonil bersifat pendeaktif karena menyebabkan bergesernya elektron pi pada inti benzena kearah subtituen tersebut. Akibatnya, inti benzena menjadi tuna elektron. Struktur-struktur resonansi untuk nitrobenzena dan benzaldehida digambarkan sbb:

O

N

O

_ _

N

O+

+

O_ _

O

+

O

N

_

_O

++

O

N

_+

Nitrobenzena

+

+

O_

O__

O

+

O

C C C C

H H H H

Benzaldehida

Sebaliknya subtituen-subtituen hidroksil, metoksil dan amino bersifat pengaktif karena menyebabkan bergesernya elektron dari subtituen tersebut ke inti benzena. Akibatnya kerapatan elektron pada inti benzena bertambah besar.

Struktur-struktur resonansi untuk Ar-OR dan Ar-NHR digambarkan sbb:

++O O O OR

R R R

+

_ _

_

NR2

_

_ _

+ + +NR2NR2 NR2

a.Gugus Pengarah MetaSemua gugus pengarah meta mempunyai muatan positif atau parsial

positif pada atom yang terikat langsung dengan inti benzena. Contohnaya adalah –CF3, dimana atom C pada guigus tersebut bermuatan parsial positif karena mengikat tiga atom F yang sangat elektronegatif.

Gugus –CF3 merupakan gugus pendeaktif kuat dan pengarah meta dalam reaksi subtitusi elektrofilik senyawa aromatik. gugus ini mempengaruhi kerektifan inti aromatik dengan mengakibatkan keadaan transisi yang mengarahkan pada pembentuka ion arenium yang sanagat tidak stabil. Gugus ini menarik elktron dari karbokation yang terbentuk sehingga menambah muatan posistif pada inti benzena.

+ CF3 + CF3 + CF3

+ E+

+ E H E H Trifluorometilbenzena keadaan transisi ion benzenonium

Kita dapat memhami bagaimana gugus –CF3 mempengaruhi orientasi subtitusi elektrofilik jika kita mempelajari struktur-struktur resonansi ion arenium yang terbentuk oleh serangan elektrofil pada posisi orto, meta dan para dari trifluorometilbenzena.

E

H

+

+

+

H

EE

H

+ E+

CF3 CF3 CF3 CF3

sangat tidak stabil

Serangan meta:CF3CF3CF3CF3

+ E+

H E EH

+

+ +

H E

Serangan para:

E

H

+

+ +

H

EE

H

+ E+

CF3 CF3 CF3 CF3

sangat tidak

++

stabilPada struktur-struktur resonansi ion arenium yang terbentuk oleh

serangan orto dan para terlihat bahwa salah satu struktur penyumbangnya sangat tiadak stabil, karena muatan positif berada pada atom karbon inti yang mengikat gugus penarik elektron. Hal serupa tidak dijumpai pada serangan meta. Dengan demikian dapat disimpulkan bahawa ion arenium yang dibentuk oleh serangan meta paling stabil yang berarti bahawa serangan meta melalui keadaan transisi yang lebih stabil pula. Hasil eksperimen menunjukkan bahawa gugus –CF3 adalah pengarah meta yang kuat.

H2SO4+ HNO3

CF3 CF3

NO2

(~ 100%)Trifluorometilbenzena

b. Gugus Pengarah Orto-ParaSelain substituen alkil atau fenil, semua gugus pengarah orto-para

mempunyai sekurang-kurangnya satu pasangan elktron bebas (non bonding) pada atom yang terikat langsung dengan inti benzena.

NH2 OH NHCOCH3Cl

anilin fenol klorobenzena asetanilida

Efek resonansi dapat menyebabkan efek pengarahan gugus-gugus pengarah orto-para. Efek resonansi terutama berpengaruh terhadap ion arenium yang berarti juga berpengaruh terhadap keadaan transisi yang membentuknya. Selain halogen, efek gugus-gugus pengarah orto-para terhadap kereaktifan juga disebabkan oleh efek resonansi. Seperti halnya pada efek pengarahan, efek ini juga berpengaruh terhadap keadaan transisi yang membentuk ion arenium.

Contoh efek resonansi adalah efek gugus amino (-NH2) dalam reaksi substitusi elektrofilik senyawa aromatik. Gugus amino tidak hanya merupakan gugus pengaktif kuat, tetapi juga gugus pengarah orto-para yang kuat. Efek tersebut dapat ditunjukkan pada reaksi antara anilina dengan larutan brom pada temperatur kamar dan tanpa katalis, yang mengahsilkan produk dimana semua posisi orto dan para tersubtitusi yaitu 2,4,6-tribomoanilina. Efek induksi gugus amino (-NH2) menyebabkan adanya sedikit penarikan elktron. Seperti kita ketahui bahwa atom nitrogen lebih elktronegatif daripada karbon, tetapi perbedaan keelektronegatifan tersebut tidak besar karana atom karbon pada benzena berhibridisasi sp2 yang lebih elektronegatif daripada sp3.

Dengan adanya efek resonansi ini gugus amino bersifat sebagai pendorong elektron. Efek ini dapat kita pahami dengan menuliskan struktur-struktur resonansi ion arenium yang terbentuk oleh serangan elektrofil pada posisi orto, meta dan para dari anilina.Serangan orto:

E

H+

+ +

H

EE

H

+ E+

NH2 NH2 NH2 NH2 NH2+

H

E

lebih stabil

Serangan meta:

NH2NH2NH2NH2

+ E+

H

E E

H

++

+

H

E

Serangan Para:

lebih stabil

E H

+

NH2NH2

NH2NH2NH2

+ E+

HE EH

+

+

+

H E

Terdapat empat struktur resonansi pada ion benzenonium hasil serangan orto dan para, sedangkan dari serangan meta hanya tiga struktur resonansi. Hal ini menunjukkan bahwa ion benzenonium hasil serangan orto dan para lebih stabil. Tetapi hal yang lebih penting adalah kestabilan struktur-struktur penyumbang hibrida ion benzenonium hasil serangan orto dan para. Diantara struktur-struktur penyumbang tersebut ada yang memiliki ikatan ekstra yang terbentuk dari pasangan elektron bebas pada nitrogen dengan atom karbon inti. Struktur ini sangat stabil karena semua atom (kecuali atom H) memiliki elektron oktet (delapan elektron). Kestabilan struktur-struktur penyumbang tersebut menyebabkan kontribusinya terhadap hibrida resonansi lebih besar. Hal ini berarti bahwa ion benzenonium yang terbentuk dari serangan orto dan para lebih stabil daripada serangan meta. Akibatnya elektrofil bereaksi dengan cepat pada posisi orto dan para.

Halogen termasuk kelompok gugus pengarah orto-para, tetapi gugus ini mendeaktifkan inti. Kekhususan pada halogen ini dapat dijelaskan dengan asumsi bahwa efek induksinya mempengaruhi kereaktifan dan efek resonansinya menentukan orientasi. Pada senyawa klorobenzena, karena atom klor sangat elektronegatif maka diperkirakan terjadi penarikan elektron pada inti benzena dan karena itu mendeaktifkan inti benzena dalam reaksi subtitusi elektrofilik.

Cl

Jika klorobenzena diserang elektrofil, atom klor akan menstabilkan ion benzenonium yang terbentuk pada serangan orto dan para. Klor memberikan pengaruh seperti yang terjadi pada gugus amino dan hidroksi, dengan cara menyumbangkan sepasang elektron bebasnya, untuk meningkatkan kestabilan struktur-struktur resonansi bagi hibrida ion benzenonium hasil serangan orto dan para.Serangan orto:

Cl

E

H

+Cl

+ E+H

EE

H

++

+ H

E

ClClCl

lebih stabil

Serangan meta:

E

H

+

+ +

H

EE

H

+ E+

ClClCl Cl

Serangan Para:

lebih stabil

E H

+

+ E+

HE EH

+

+

+

H E

Cl Cl ClCl Cl

c. Orientasi dan kereaktifan dalam alkil benzena Semua gugus alkil bersifat pendorong elektron dan termasuk dalam

kelompok gugus pengarah orto-para, oleh karena itu mengaktifkan inti benzena dalam subtitusi elektrofilik dengan cara menstabilkan keadaan transisi yang mengarahkan kepembentukan ion benzenonium. R R R + E+

+E H E H

keadaan transisi ion benzenonium yang terstabilkan

Pada langkah pembentukan ion benzenonium, energi pengaktifan alkil benzena lebih rendah daripada benzena sehingga reaksi pada alkil benzena berlangsung lebih cepat.

Jika serangan orto-meta dan para lewat reaksi substitusi elektrofilik pada senyawa toluena, menghasilkan struktur-struktur resonansi ion benzenonium sebagai berikut:

Serangan orto :

lebih stabil

E

H++ E+

H

EE

H

++

CH3 CH3CH3 CH3

Serangan meta :

E

H+

+ +

H

EE

H

+ E+

CH3CH3CH3CH3

Serangan para :

++

EH

+

+

H EE H

+ E+

+

lebih stabil

CH3CH3CH3CH3

Pada serangan orto dan para terdapat satu struktur resonansi dimana gugus metil terikat langsung pada atom yang bermuatan positif, dan bersifat lebih stabil karena pengaruh stabilisasi gugus metil (gugus pendorong elektron) paling efektif. Struktur tersebut memberikan konstribusi hibrida ion benzenonium yang terbentuk oleh serangan orto dan para, sedangkan pada serangan meta, tidak demikian. Ion benzenonium yang terbentuk oleh serangan orto dan para lebih stabil, maka keadaan transisi yang mengarahkan kepembentukan ion benzenonium memerlukan energi lebih rendah sehingga reaksi berlangsung lebih cepat.

Daftar Pustaka

1. H. Hart/Suminar Achmad; (1987), Kimia Organik, Suatu Kuliah Singkat. Jakatra: Penerbit Erlangga.

2. R. J. Fessenden, J. S. Fessenden/A. Hadyana Pudjaatmaka (1986). Kimia Organik, (terjemahan dari Organic Chemistry, 3rd Edition), Erlangga, Jakarta

3. Solomons, T.W., 1982., Fundamentals of Organic Chemistry., John Willey & Sons. Inc., Canada.

4. Wahyudi/Ismono; (2000)., Kimia Organik 3, Depdikbud, Jakarta