Reaksi Substitusi Nukleufilikpada Rantai Karbon Alifatik

Contoh Reaksi Substitusi Nukleofilik

Kinetika ReaksiUntuk reaksi secara umum : Misalnya terhadap alkil halida : Nu: + R - Hal R - Nu + Hal- Ada 2 kemungkinan reaksi :V = k1 x [RHal] [Nu:] V = k2 x [RHal]

Mekanisme Reaksi (1)Hidrolisis terhadap metil bromida dalam basa berair. Reaksi berlangsung melalui keadaan transisi. Laju reaksi tergantung konsentrasi substrat dan nukleufil

Mekanisme Reaksi (2)Hidrolisis terhadap 3-tersier butil klorida dalam larutan basa berlangsung melalui zat antara ion karbonium/karbokation. Laju reaksi tergantung hanya pada konsentrasi substrat

Kinetika Reaksi Substitusi NukleufilikJika laju reaksi tergantung pada konsentrasi substrat dan nukleufil : reaksi bimolekuler/SN-2 V = k1 x [RHal] [Nu:] Jika laju reaksi tergantung hanya pada konsentrasi substrat : reaksi unimolekuler/ SN-1 V = k2 x [RHal]

Mekanisme Reaksi SN-2 Hughes and Ingold proposed the following mechanism:Transition stateIncreasing the concentration of either of the reactant makes their collision more probable.

Diagram Energi Reakasi SN-2 activationenergy: DG1activationenergy: DG2Steric effectInversion of configuration(R)-2-bromobutane(S)-2-butanolEnergyreaction coordinatereaction coordinate

Mekanisme Reaksi SN-1 Inverted configuration relative the alkyl halide

Diagram Energi Reaksi SN-1 DGRate determining stepCarbocation intermediateR++ X-R-OH2+R-OH

Diagram Energi Reaksi SN1 Rate-determining step is formation of carbocationStep through highest energy point is rate-limiting (k1 in forward direction)k1k2k-1V = k[RX]

Pengaruh PelarutLaju solvolisis Me3CBr dalam etanol berair 50% = 3 x 104 lebih cepat dari pada laju solvolisis Me3CBr dalam etanol. Reaksi SN-1

Reaksi SN-2

Faktor yang Berpengaruh1Substrat (konsentrasi + struktur)NukleufilPelarutGugus pergi

Pengaruh PelarutLaju reaksi MeI dengan N3- dalam metanol ( = 33) pada suhu 0oC akan meningkat 4,3 x 104 kali lipat jika pelarut diganti dengan N,N-dimetil formamida (dimetil formamida, DMF), HCONMe2 ( =37).

Laju reaksi akan meningkat menjadi 109 kali lipat jika digunakan pelarut dimetilsolfoksida (DMSO), Me2SO ( = 46).

Perubahan pelarut polar protik ke polar tak protik dapat merubah mekanisme reaksi SN-1 ke SN-2

Pengaruh PelarutSolvents that can donate hydrogen bonds (-OH or NH) slow SN2 reactions by associating with reactantsEnergy is required to break interactions between reactant and solventPolar aprotic solvents (no NH, OH, SH) form weaker interactions with substrate and permit faster reaction

Tetapan Dielektrik Pelarut Protik Polar dan Aprotik Polar

Pengaruh StrukturPengukuran laju hidrolisis terhadap alkil bromida dilakukan dengan larutan natrim hidroksida beretanol yang berair dan encer.

Pengaruh StrukturLaju reaksi relatif pergantian gugus Cl dengan Br (SN-2) :CH3Cl MeCH2Cl Me2CHCl Me3CCl 1 2,7 x 10-2 4,9 x 10-4 2,2 x 10-5Mengapa laju reaksi SN-2 etil klorida > tersier butil klorida ?Mengapa urutan laju reaksi SN-2 menurun ?

Kestabilan Karbokation melalui HiperkonjugasiKestabilan karbokation melalui hiperkonjugasi :Kestabilan karbokation melalui induksi :

Laju Reaksi RelatifBandingkan dengan laju reaksi alkil klorida sbb :

CH3 Cl MeCH2Cl Me2CHCl Me3CCl

1 2,7 x 10-2 4,9 x 10-4 2,2 x 10-5Reaksi SN-2. Nukleufil OCH3 dalam pelarut Etanol pada suhu 55o :

Relative rate of reactionThe rate of reaction depends on the concentrations of both reactants.When the hydrogens of bromomethane are replaced with methyl groups the reaction rate slow down.The reaction of an alkyl halide in which the halogen is bonded to an asymetric center leads to the formation of only one stereoisomer

Alkyl halideRelative rate1200401 0

Pengaruh Sterik

Stereokimia Reaksi SN-2

Penentuan KonfigurasiPemakaian alkohol bertanda 18O pada gugus OHnya memperlihatkan bahwa pada pembentukan tosilat atom 18O tidak tersingkir, tetapi jika tosilatnya direaksikan dengan MeCO2 maka 18O akan tersingkir. Kemudian jika pada hidrolisis suatu asetat pada ikatan alkil-oksigen digunakan 18O menghasilkan alkohol (23) yang konfigurasinya sama dengan asetat (22).

Penentuan KonfigurasiJika sebagai nukleufil I- digunakan isotop 128I- ternyata reaksi pada 30oC dapat diamati bahwa laju rasemisasi dua kali lipat laju inversinya, dengan k = 2,88 0,03 x 10-5. Hal ini menunjukkan bahwa produk (25a) mempunyai konfigurasi yang berlawanan dengan (25), sehingga setelah separuh reaksi terbentuk campuran rasemik.

Stereokimia Reaksi SN-1Karena terbentuk zat antara karbonium, maka diharapkan serangan nukleufil akan sama mudahnya dari kedua sisi yang berlawanan, namun jarang terjadi secara sempurna. Perbandingan antara retensi dan inversi tergantung pada kestabilan ion karbonium serta pelarut. Makin stabil karbokationnya makin besar jumlah rasemisasinya dan makin bersifat nukleufil pelarutnya makin besar inversinya.

Terbentuknya Ion karbonium Berpasangan

Reaksi SN-i

Reaksi SN-i

Reaksi SN-i

Pengaruh Gugus Tetangga

Pengaruh Substrat

Pengaruh NukleufilDepends on reaction and conditions More basic nucleophiles react fasterBetter nucleophiles are lower in a column of the periodic tableAnions are usually more reactive than neutrals

Pengaruh Gugus PergiA good leaving group reduces the barrier to a reactionStable anions that are weak bases are usually excellent leaving groups and can delocalize charge

Super Leaving Groups

Gugus Pergi LemahIf a group is very basic or very small, it is prevents reaction

Pengaruh PelarutSolvents that can donate hydrogen bonds (-OH or NH) slow SN2 reactions by associating with reactantsEnergy is required to break interactions between reactant and solventPolar aprotic solvents (no NH, OH, SH) form weaker interactions with substrate and permit faster reaction

Tetapan Dielektrik Pelarut

Pelarut Protik Polar Pelarut Protik Polar merupakan basa Lewis yang lemah mempermudah terbentuknya R+ Polaritas ikatan diukur dari dielectric polarization (P)

Stabilitas Ion karboniumSolvasi ion karbonium dalam pelarut airSolvasi terhadap ion karbonium mendukung stabilitas ion karbonium berkaitan dengan laju reaksi

Pengaruh Pelarut terhadap Energi ReaksiPelarut polar lebih menstabilkan keadaan transisi dan zat antara reaksi dari pada reaktan

Pelarut Aprotik PolarForm dipoles that have well localized negative sides, poorly defined positive sides.Examples: DMSO, HMPA (shown here)+-++

Pelarut Aprotik Polar

+-+++-++Na+Polar aprotic solvents solvate cations well, anions poorlygood fit!bad fit!