Reaksi Substitusi Nukleufilikpada Rantai Karbon Alifatik

Kinetika Reaksi

Untuk reaksi secara umum : Misalnya terhadap alkil halida :

Nu: + R - Hal R - Nu + Hal-

Ada 2 kemungkinan reaksi :1. V = k1 x [RHal] [Nu:]

2. 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 Nukleufilik

• Jika 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]

Mechanism of SN-2 Reactions

Hughes and Ingold proposed the following mechanism:Hughes and Ingold proposed the following mechanism:

Transition state

Increasing the concentration of either of the reactant makes their collision more probable.Increasing the concentration of either of the reactant makes their collision more probable.

Energy Diagram of SN-2 Reactions

activationenergy: G1

activationenergy: G2

Steric effectSteric effect

Inversion of configurationInversion of configuration

(R)-2-bromobutane (S)-2-butanol

Ener

gy

reaction coordinate reaction coordinate

Mechanism of SN1 Reactions

Inverted configuration

relative the alkyl halide

Inverted configuration

relative the alkyl halide

Energi Diagram of SN1 Reactions

G

Rate determining stepRate determining stepCarbocation intermediateCarbocation intermediate

R++ X-

R-OH2

+

R-OH

SN1 Energy Diagram

• Rate-determining step is formation of carbocation

Step through highest energy point is rate-limiting (k1 in forward direction)

k1 k2k-1

V = k[RX]

Pengaruh Pelarut

• Laju solvolisis Me3CBr dalam etanol berair 50% = 3 x 104 lebih cepat dari pada laju solvolisis Me3CBr dalam etanol.

• Reaksi SN-1

• Reaksi SN-2

Pengaruh Pelarut

• Laju reaksi MeI dengan N3- dalam metanol (έ =

33) pada suhu 0oC akan meningkat 4,3 x 104 kali lipat jika pelarut diganti dengan N,N-dimetil formamida (dimetil formamida, DMF), HCONMe2 (έ =37).

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

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

Pengaruh Pelarut

• Solvents that can donate hydrogen bonds (-OH or –NH) slow SN2 reactions by associating with reactants

• Energy is required to break interactions between reactant and solvent

• Polar aprotic solvents (no NH, OH, SH) form weaker interactions with substrate and permit faster reaction

Tetapan Dielektrik Pelarut Protik Polar dan Aprotik Polar

Pengaruh Struktur

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

Pengaruh Struktur

Laju 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 10-5

Mengapa laju reaksi SN-2 etil klorida > tersier butil klorida ?

Mengapa urutan laju reaksi SN-2 menurun ?

Kestabilan Karbokation melalui Hiperkonjugasi

Kestabilan karbokation melalui hiperkonjugasi :

Kestabilan karbokation melalui induksi :

Laju Reaksi Relatif

Bandingkan 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 10-5

Reaksi SN-2. Nukleufil –OCH3 dalam pelarut Etanol pada suhu 55o :

Relative rate of reaction

The rate of reaction depends on the concentrations of both reactants.The 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.

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

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 halide Relative rate

1200

40

1

≈ 0

Pengaruh Sterik

Stereokimia Reaksi SN-2

Penentuan Konfigurasi

Pemakaian 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 Konfigurasi

Jika 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-1

Karena 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.

Reaksi SN-i

Reaksi SN-i

Reaksi SN-i

Pengaruh Gugus Tetangga

Pengaruh Gugus Tetangga

Pengaruh Nukleufil dan Gugus Pergi