Substitusi Nukleofilik dan Eliminasi

Based on McMurry’s Organic Chemistry, 7th edition

2

Alkil halida bereaksi dengan nukleofil dan basa

Alkil halida terpolariasi pada ikatan karbon – halida menjadikan karbon elektrofilik

Nukleofil akan menggantikan posisi halida pada ikatan C-X dari berbagai alkil halida( reaksi sebagai basa Lewis)

Nukleofil yang basa Brønsted menghasilkan eliminasi

3

Materi bagian ini ……

Substitusi nukleofilik, eliminasi yang disebabkan basa adalah reaksi yang banyak terjadi pada berbagai reaksi senyawa organik

Reaksi akan diuji untuk mengetahui :- Bagaimana terjadinya reaksi- Apa karakteristik reaksi- Bagaimana dapat digunakan

4

Penemuan Reaksi Substitusi Nukleofilik Tahun 1896, Walden melihat bahwa asam (-)-malat

dapat dirubah menjadi asam (+)-malat melalui tahapan reaksi kimia dengan pereaksi a-kiral

Penemuan ini yang mengaitkan hubungan langsung putaran optik dengan kekiralan dan perubahannya melalui alterasi kimia Reaksi asam (-)-malat dengan PCl5 menghasilkan

asam (+)-klorosuksinat Reaksi lebih lanjut dengan perak oksida dalam air

menghasilkan asam (+)-malat Tahapan reaksi diawali dengan asam (+) malat

menghasilkan asam (-)-malat

5

Reaksi inversi Walden

6

Signifikansi inversi Walden

Reaksi alterasi terjadi pada pusat kiral Reaksi melibatkan substitusi pada pusat kiral Jadi, substitusi nukleofilik dapat menginversi

konfigurasi pada pusat kiral Adanya gugus karboksil pada asam malat

menimbulkan perdebatan mengenai sifat reaksi siklus Walden

7

Reaksi SN2

Reaksi yang melibatkan inversi pada pusat reaksi Mengikuti kinetika reaksi orde kedua Tatanama Ingold menerangkan tahapan reaksi:

S=substitusi N (subscript) = nukleofilik 2 = keduanya nukleofil dan substrat berada dalam

tahapan yang karakteristik (bimolekular)

8

Kinetika Substitusi Nukleofilik

Kecepatan (V) berubah menurut konsentrasi terhadap waktu

Tergantung pada konsentrasi, suhu, sifat reaksi (penghalang pada energi permukaan)

Hukum kecepatan menerangkan hubungan antara konsentrasi reaktan dan konversi terhadap produk

Konstanta kecepatan (k) adalah faktor proporsionalitas antara konsentrasi dan kecepatan

Example: for S converting to P

V = d[S]/dt = k [S]

9

Kinetika Reaksi

Kajian kinetika reaksi disebut kinetika Kecepatan berkurang dengan menurunnya

konsentrasi tetapi konstanta kecepatan tidak Satuan kecepatan: [konsentrasi]/waktu sebagai L/

(mol x s) Hukum kecepatan adalah mekanisme reaksi Orde raksi adalah jumlah eksponen konsentrasi

dalam hukum kecepatan – misalnya orde kedua

10

Proses SN2

Reaksi melibatkan keadaan transisi dimana kedua reaktan berada bersama-sama

11

Keadaan Transisi SN2

Keadaan transisi reaksi SN2 memiliki susunan atom karbon planar dari sisa tiga gugus

12

Karakteristik reaksi SN2

Sensitif terhadap efek sterik Metil halida paling reaktif Selanjutnya alkil halida primer adalah yang

paling reaktif Alkil halida sekunder masih dapat bereaksi Yang tersier tidak reaktif Tidak terjadi reaksi pada C=C (vinyl halida)

13

Pengaruh reaktan dan tingkat energi keadaan transisi terhadap kecepatan reaksi

Makin tinggi tingkat energi reaktan (kurva merah) = reaksi makin cepat (ΔG‡ lebih kecil).

Makin tinggi tingkat energi keadaan transisi (kurva merah) = reaksi makin lambat (ΔG‡ lebih besar)

14

Efek Sterik reaksi SN2

Atom karbon pada (a) bromometana siap diakses untuk menghasilkan reaksi SN2 yang cepat. Atom karbon pada (b) bromoetana (primer), (c) 2-bromopropana (sekunder), dan (d) 2-bromo-2-metilpropana (tersier) adalah lebih sesak, sehingga reaksi SN2 lebih lambat.

15

Orde Reaksi pada SN2

Semakin banyak gugus alkil yang terikat pada karbon pusat reaksi, reaksi lebih lambat

16

Nukleofil

Basa Lewis netral atau bermuatan negatif Koordinasi reaksi meningkat pada nukleofil

Nukleofil netral mengakuisisi muatan positif Nukleofil anionik menjadi netral

17

Kereaktifan relatif Nukleofil

Tergantung pada reaksi dan kondisi Makin basa nukleofil semakin cepat reaksi Nukleofil semakin baik kalai semakin ke bawah pada

golongan dalam sistem berkala Anion biasanya lebih reaktif dari nukleofil netral

18

Gugus lepas

Gugus lepas yang baik mengurangi halangan reaksi Anion stabil adalah basa lemah yang biasanya gugus

lepas yang sangat baik dan dapat mendelokalisasi muatan

19

Gugus Lepas Jelek

Jika suatu gugus sangat basa atau sangat kecil, ia akan menghalangi reaksi

Alkil fluorida, alkohol, eter dan amina tidak cendrung mengalami reaksi SN2.

20

Pelarut

Pelarut yang dapat mendonasikan ikatan hidrogen (-OH atau –NH) memperlambat reaksi SN2 melalui asosiasi dengan reaktan

Energi dibutuhkan untuk memecah interaksi antara reaktan dan pelarut

Pelarut polar aprotik (bukan NH, OH, SH) membentuk interaksi lebih lemah dengan substrat dan mengizinkan reaksi lebih cepat

21

Reaksi SN1

Alkil halida tersier bereaksi cepat dalam pelarut protik melalui mekanisme yang melibatkan pembebasan gugus lepas sebelum terjadi addisi nukleofil

Disebut reaksi SN1 – terjadi dalam dua tahap sedangkan SN2 terjadi dua tahapan dalam waktu yang sama

Jika nukleofil ada dalam konsentrasi yang wajar (atau itu adalah pelarut), maka ionisasi adalah langkah paling lambat

22

Diagram Energi SN1

Tahap penentu kecepatan adalah pembentukan karbokation

V = k[RX]

23

Tahap pembatasan-laju reaksi

Laju reaksi keseluruhan dikendalikan oleh laju langkah paling lambat

Laju reaksi tergantung pada konsentrasi spesies dan konstanta laju pada setiap langkah

Energi keadaan transisi tertinggi pada diagram adalah yang langkah penentu laju (yang tidak selalu berpenghalang tertinggi)

24

Stereokimia reaksi SN1

Intermediet yang planar menghilangkan kekiralan Karbokation bebas adalah akiral

Produk reaksi adalah rasemat atau beberapa ada yang mengalami inversi

25

Realitas SN1

Karbokation bias bereaksi pada sisi yang berlawanan dengan sisi gugus lepas

Reaksi yang terjadi disarankan dengan karbokation yang berjarak dengan gugus pergi selama terjadi adisi nukleofilik

Alternatif bahwa terjadi SN2 tidak mungkin

26

Efek pembentukan pasangan ion

Jika gugus lepas tetap berasosiasi, maka produk cendrung inversi dari retensi

Produk hanya rasemat parsial dengan cendrung inversi dari retensi

Assosiasi karbokation dan gugus lepas adalah pasangan ion

27

Karakteristik Reaksi SN1

Substrat Alkil halida tersier adalah yang paling reaktif

pada mekanisme ini Reaksi dikontrol oleh kestabilan karbokation Menurut postulat Hammond,”Setiap faktor

yang menstabilkan intermediet berenergi tinggi akan menstabilkan keadaan transisi mengarah ke intermediet”

28

Allylik dan Halida Benzylik Intermediet Allylik dan benzylik ditsabilkan oleh

delokalisasi muatan Allylik dan benzylik primer lebih reaktif pada

mekanisme SN2

29

Efek gugus lepas pada SN1

Secara kritik tergantung pada gugus lepas Kereaktifan: ion halida yang lebih besar

merupakan gugus lepas yang lebih baik Dalam asam, OH alkohol diprotonasi dan gugus

lepas adalah H2O, yang masih kurang reaktif dibandingkan halida

p-Toluensulfonat (TosO-) adalah gugus lepas yang baik

30

Nukleofil pada SN1

Bila adisi nuleofilik terjadi setelah pembentukan karbokation, laju reaksi biasanya tidak dipengaruhi oleh konsentrasi nukleofil

31

Pelarut pada SN1

Menstabilkan karbokation juga menstabilkan keadaan transisi dan kontrol jalu reaksi

Efek pelarut pada reaksi SN1 sebagian besar untuk menstabilkan atau mendestabilkan keadaan transisi

32

Pelarut polar memudahkan Ionisasi Pelarut polar, protik dan basa Lewis tidak reaktif

memudahkan terbentuknya R+ Kepolaran pelarut diukur sebagai polarisasi

dielectrik (P) Pelarut nonpolar mempunyai P rendah Pelarut polar mempunyai P tinggi

33

Reaksi Substitusi Biologikal

Reaksi SN1 dan SN2 terjadi juga pada kimia biologikal

Tidak seperti yang di laboatorium, substrat pada substitusi biologikal sering berupa organodifosfat dari pada alkil halida

34

Reaksi Eliminasi Alkil Halida: Aturan Zaitsev Eliminasi adalah jalur alternatif ke substitusi Berlawanan dengan reaksi adisi Menghasilkan alkena Dapat berkompetisi dengan substitusi dan

menurunkan jumlah produk, khususnya untuk SN1

35

Aturan Zaitsev untuk reaksi Eliminasi

Pada eliminasi HX dari alkil halida, produk alkena yang lebih tersubstitusi adalah produk yang dominan

36

Mekanisme reaksi Eliminasi

Tatanama Ingold: E – “eliminasi” E1: pertama X- lepas membentuk karbokation

suatu basa abstrak proton dari karbokation E2: Transfer terpadi proton ke suatu basa dan

perginya gugus lepas

37

Reaksi E2 dan efek isotop Deuterium

Proton ditransfer ke basa sebagai gugus lepas awal

Keadaan transisi terjadina lepasnya X dan transfer H

Alkana yang dihasilkan stereospesifik

38

Geometri Eliminasi – E2

Antiperiplanar memungkinkan orbital bertumpang-tindih dan meminimalkan interaksi efek sterik

39

Stereokimia E2

Tumpang tindih orbital π pada keadaan transisi membutuhkan geometri periplanar, anti penataan

40

Prediksi Produk

E2 adalah stereospesifik Meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletana dengan basa

menghasilkan cis 1,2-difenil RR atau SS 1,2-dibromo-1,2-difeniletana

menghasilkan trans 1,2-difenil

41

Reaksi E2 dan pembentukan sikloheksana

Proton diambil dan gugus lepas harus menyesuaikan trans-diaksial menjadi anti periplanar (app) mendekati keadaan transisi

Gugus equatorial tidak benar-benar sejajar

42

Reaksi E1 dan E1cB

Berkompetisi dengan SN1 dan E2 pada pusat 3°

V = k [RX], sama denga SN1

43

Perbandingan E1 dan E2

Basa kuat dibutuhkan untuk E2 tapi tidak untuk E1 E2 stereospesifik, E1 tidak E1 menghasilkan orientasi Zaitsev

44

Reaksi E1cB

Berlangsung melalui intermediet karbanion

45

Reaksi Eliminasi Biologikal

Ketiga reaksi eliminasi terjadi dalam makhluk hidup

E1cB sangat umum Contoh spesifik terjadi pada biosintesis lemak

bila 3-hidroksi butiril thioester di dehidrasi menghasilkan thioester nya

46

Ringkasan Kereaktifan: SN1, SN1, E1,E1cB, E2 Alkil halida mengalami berbagai reaksi berbeda yang

berkompetisi, tergantig pada reaksi molekul dan kondisi Berdasarkan polanya, dapat diprediksi produknya

47

bon courage.....et a la prochaine cours...