1

ISI MAKALAH

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK (SN)

Halogenalkana (juga dikenal sebagai haloalkana atau alkil halida) adalah senyawa-

senyawa yang mengandung sebuah atom halogen (fluor, klor, bromin, atau iodin) yang terikat

dengan satu atau lebih atom karbon pada sebuah rantai. Hal yang menarik tentang senyawa-

senyawa ini adalah ikatan karbon-halogen, dan semua reaksi substitusi nukleofilik

halogenalkana melibatkan pemutusan ikatan ini.

Terkecuali iodin, semua halogen lebih elektronegatif dibanding atom karbon.

Nilai keelektronegatifan (Skala Pauling)

C 2.5 F 4.0

Cl 3.0

Br 2.8

I 2.5

Keelektronegatifan halogen (terkecuali iodin) yang lebih besar dari keelektronegatifan

atom karbon berarti bahwa pasangan elektron dalam ikatan karbon-halogen akan tertarik ke

ujung halogen, sehingga membuat halogen sedikit bermuatan negatif ( -) dan atom karbon

sedikit bermuatan positif ( +) – kecuali untuk ikatan karbon-iodin. Walaupun ikatan karbon-

iodin tidak memiliki dipol permanen, ikatan ini sangat mudah dipolarisasi oleh apapun yang

mendekatinya. Coba anda bayangkan sebuah ion negatif yang mendekati ikatan ini dari sisi

yang berjauhan dengan ujung atom karbon:

Polaritas ikatan karbon-bromin yang cukup kecil akan meningkat dengan efek yang

sama seperti ditunjukkan pada gambar di atas.

2

Perhatikan kekuatan ikatan-ikatan berikut (semua nilai dalam kJ mol-1).

C-H 413 C-F 467

C-Cl 346

C-Br 290

C-I 228

Pada semua reaksi substitusi nukleofilik, ikatan karbon-halogen harus diputus pada

beberapa titik selama reaksi terjadi. Semakin sulit ikatan tersebut diputus, semakin lambat

reaksi yang akan berlangsung. Ikatan karbon-fluorin sangat kuat (lebih kuat dari ikatan C-H)

dan tidak mudah diputus. Ini berarti bahwa ikatan karbon-fluorin memiliki polaritas yang

paling besar, tetapi polaritas ini tidak penting sebab kekuatan ikatan jauh lebih penting dalam

menentukan kereaktifannya. Dengan demikian fluoroalakana sangat tidak reaktif. Pada

halogenalkana yang lain, ikatan menjadi semakin lemah dari klorin ke bromin sampai ke

iodin. Ini berarti bahwa kloroalkana bereaksi paling lambat, bromoalkana bereaksi paling

cepat, dan iodoalkana bereaksi masih lebih cepat lagi.

Laju reaksi: RCl < RBr < RI

Dimana “<” dibaca sebagai “lebih kecil dari” – atau, dalam hal ini, “lebih rendah

dari”, dan R merupakan gugus alkil.

1. Reaksi Substitusi Nukleofilik

Reaksi substitusi merupakan reaksi dimana suatu atom, ion atau gugus disustitusikan

untuk (menggantikan) atom, ion atau gugus lain. Dalam reaksi substitusi alkil halida, halida

disebut sebgagai gugus pergi (leaving group) yang berarti apa saja yang dapat digeser dari

ikatannya dengan suatu atom karbon. Ion halida merupakan gugus pergi yang baik, karena

ion-ion ini meruapakn basa yang sngat lemah. Spesi yang menyerang suatu alkil halida dalam

suatu reaksi substitusi disebut nukleofili (nucleophie, “ pecinta nukleus”), sering

dilambangkan dengan Nu–. Reaksi substitusi nukleofilik etil bromida bereaksi dengan ion

hidroksida menghasilkan etil alkohol dan ion bromida.

HO- + CH3CH2 – Br CH3CH2 –OH + Br-

Etil bromida Etanol

3

Ini khas contoh khas dari reaksi substitusi nukleofilik. Ion Hidroksida bertindak

sebagai nukleofili yang bereaksi dengan substrat (etil bromida) dan menggantikan ion

bromida. Ion bromida dinamakan gugus pergi (leaving group). Dalam reaksi jenis ini, satu

ikatan kovalen terputus, dan satu ikatan kovalen baru terbentuk. Dalam contoh ini, ikatan

karbon-bromin putus dan ikatan karbon oksigen terbentuk. Gugus pergi (bromida)

mengambil kedua elektron dari ikatan-ikatan bromin dan nukleofili (ion hidroksida)

memasok kedua elektron untuk ikatan karbon oksigen yang baru.

Gagasan ini merupakan generalisasi dari persamaan di bawah ini untuk reaksi

substitusi nukleofilik :

Nu: + R : L R : Nu+ + : L- (a)

Nukleofil netral substrat produk gugus pergi

Nu:- + R : L R : Nu + : L- (b)

Nukleofili (anion) substrat produk gugus pergi

Bila nukleofili dan substrat bersifat netral (a), produk akan bermuatan positif. Bila

nukleofili berupa ion negatif dan substratnya netral (b), maka produknya kan netral. Hal ini

berarti pasangan elektron bebas pada nukleofili memasok elektron untuk ikatan kovalen yang

baru. Reaksi ini dapat digunakan untuk membentuk ikatan kovalen.nukleofil adalah perekasi

yang dapat memberikan sepasang elektron untuk membuat ikatan kovalen.

Nukleofil adalah sebuah spesies (ion atau molekul) yang tertarik dengan kuat ke

sebuah daerah yang bermuatan positif pada sesuatu yang lain. Nukleofil bisa berupa ion-ion

negatif penuh, atau memiliki muatan yang sangat negatif pada suatu tempat dalam sebuah

molekul. Nukleofil-nukleofil yang umum antara lain ion hidroksida, ion sianida, air dan

amonia.

Perhatikan bahwa masing-masing nukleofil pada gambar di atas mengandung

sekurang-kurangnya satu pasangan elektron bebas, baik pada sebuah atom yang bermuatan

4

negatif penuh, atau pada sebuah atom yang sangat elektronegatif yang membawa muatan  -

yang cukup besar.

Nukleofili dapat digolongkan berdasarkan jenis atom yang membentuk ikatan kovalen

baru. Nukleofili yang sering dijumpai adalah oksigen, nitrogen, sulfur, halogen, dan karbon.

Contohnya :

a. Lengkapi persamaan berikut:

:NH3 + CH3CH2CH2Br

Jawab : ammonia adalah nukleofili nitrogen karena kedua reaktan netral, produknya

memiliki muatan positif (muatan formal +1 berada pada nitrogen)

:NH3 + CH3CH2CH2Br CH3CH2CH2 - NH3+ + Br-

b. Rancanglah sintesis propil sianida melalui reaksi substitusi nukleofilik

Jawab : mula-mula, tulislah struktur produk yang dikehendaki.

CH3CH2CH2–C≡N:

Propil sianida

Bila kita menggunakan ion sianida sebagai nukleofili, alkil halida harus

memiliki halogen ( Cl, Br atau I) melekat pada gugus propil. Persamaannya yaitu :

-:C≡N: + CH3CH2CH2Br CH3CH2CH2C≡N: + Br-

Natrium sianida atau kalium sianida dapat digunakan untuk memasok nukleofili.

Reaksi substitusi mempunyai keterbatasan dalam hal struktur gugus R pada

alkil halida. Contohnya reaksi dari alkil halida (halogen terikat pada karbon yang

terhibridisasi sp3). Aril halida dan vinil halida yang halogennya terikat pada karbon

yang terhibridisasi sp2, tidak menjalani jenis reaksi substitusi nukleofilik ini.

Keterbatasan lain sering terjadi bila nukleofilinya berupa anion atau basa atau

keduanya, contohnya :

–CN + CH3CH2CH2Br CH3CH2CH2CH2CN + Br–

Anion halida primer

5

Tetapi,

Contoh lainnya ialah :

Akan tetapi,

2. Mekanisme Substitusi Nukleofilik

Substitusi nukleofilik berlangsung dengan lebih dari satu mekanisme. Mekanisme

yang teramati pada kasus tertentu bergantung pada struktur nukleofili dan alkil halida,

pelarut, suhu reaksi, dan faktor lain. Terdapat dua mekanisme utama substitusi

nukleofilik, yang diberi lambang SN1 dan SN2.

2.1. Mekanisme SN2 ( Substitusi Bimolekuler)

Mekanisme ini berlangsung satu langkah, dinyatakan dengan persamaan:

6

Nukleofili menyerang dari sisi belakang dari ikatan C–L. Pada tahap tertentu

(keadaan transisi), nukleofili dan gugus pergi keduanya terikat secara parsial pada

karbon tempat berlangsungnya reaksi substitusi. Sewaktu gugus pergi keduanya

terikat secara parsial pada karbon tempat berlangsungnya reaksi substitusi.

Sewaktu gugus pergi meninggalkan karbon dengan sepasang elektron bebasnya,

nukleofili memasok sepasang elektron lain pada atom karbon. Angka 2 digunakan

untuk menjelaskan mekanisme ini karena reaksi ini bimolekuler. Artinya dua

molekul, yaitu nukleofil dan substrat, yang terlibat dalam langkah kunci (hanya

satu langkah) dalam mekanisme reaksi ini.

Mekanisme reaksi ini menggunakan sebuah ion sebagai nukleofil, karena akan

lebih mudah.

Contoh bromoetana sebagai sebuah halogenalkana primer sederhana.

Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara karbon dan bromin. Kita akan

melihat reaksinya dengan menggunakan ion nukleofil yang umum, yang dalam

hal ini kita sebut sebagai Nu-. Nukleofil ini akan memiliki sekurang-kurangnya

satu pasangan elektron bebas. Nu- misalnya bisa berupa OH- atau CN-.

Pasangan elektron bebas pada ion Nu- akan tertarik kuat ke atom karbon  +,

dan akan bergerak ke arahnya, dan mulai membentuk sebuah ikatan koordinasi

(kovalen datif). Dalam proses ini, elektron dalam ikatan C-Br akan terdorong

lebih dekat ke arah bromin, sehingga membuatnya semakin negatif. Pergerakan

elektron bebas ini ke arah atom karbon akan terus berlangsung sampai -Nu terikat

kuat dengan atom karbon, dan bromin telah dilepaskan sebagai sebuah ion Br-.

7

Hal-hal yang perlu diperhatikan

Ion Nu- mendekati atom karbon  + dari sisi yang jauh dari atom bromin. Atom

bromin yang besar menghalangi serangan dari sisi yang berdekatan dengannya dan,

karena bermuatan  -, akan menolak Nu- yang mendekat. Serangan dari belakang ini

penting jika anda ingin memahami mengapa halogenalkana tersier memiliki

mekanisme yang berbeda. Kita akan membahas hal ini selanjutnya di halaman ini.

Jika dicermati, maka harus ada sebuah titik dimana Nu- terikat setengah ke atom

karbon, dan ikatan C-Br terputus setengahnya. Ini disebut sebagai keadaan transisi.

Keadaan ini bukan sebuah intermediet dan tidak bisa diamati terpisah meski hanya

sesaat. Keadaan ini hanyalah titik-tengah dari sebuah serangan oleh satu gugus dan

terlepasya gugus yang lain.

Cara menuliskan mekanisme reaksi yang paling sederhana adalah sebagai berikut:

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2.  S adalah singkatan dari

substitusi, N singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari

reaksi ini melibatkan dua spesies – yaitu bromoetana dan ion Nu-. Dalam beberapa

silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik. Di bawah ini

digambarkan keadaan transisi reaksi SN2 untuk memperjelas perbedaan antara garis

putus-putus yang menunjukkan ikatan setengah-jadi dan setengah-putus, dengan

yang menunjukkan ikatan-ikatan yang sebenarnya.

8

Beberapa petunjuk agar mengetahui SN2 :

1. Laju reaksi bergantung pada konsentrasi nukleofili maupun substrat.

Contohnya reaksi ion hidroksida dengan etil bromida. Jika dilipat duakan

konsentrasi nukleofili (HO–), maka reaksi berlangsung dua kali lebih cepat. Hal

yang sama terjadi jika dilipat duakan konsentrasi etil bromida.

2. Setiap penggantian melalui SN2 selalu mengakibatkan inversi konfigurasi.

Contohnya (R)–2–bromobutana direaksikan dengan natrium hidroksida, yang

akan menghasilkan (S)–2–butanol.

3. Reaksi akan paling cepat jika gugus alkil pada substrat berupa metal atau

primer dan paling lambat jika berupa tersier. Alkil halida sekunder bereaksi

dengan laju pertengaha

2.2. Diagram Energi Reaksi SN2

Energi Aktivasi

[Nu....R...X]–Keadaan Transisi

Nu:– + R–XNu–R + X:–

9

Pada diagram energi reaksi SN2 energi potensial yang dibutuhkan untuk mencapai

keadaan transisi membentuk suatu barier energi. Agar alkil halida dan nukleofil bertabrakan

dapat mencapai keadaan transisi diperlukan sejumlah energi yang disebut energi pengaktifan

(energi aktivasi). Laju reaksi kimia ditentukan oleh ∆G, yaitu perbedaan energi antara reaktan

dan tingkat transisi.

Perubahan kondisi reaksi dapat mempengaruhi ∆G dengan 2 cara:

a) Perubahan tingkat energi reaktan

Tingkat energi reaktan yang lebih tinggi akan mempercepat reaksi.

b) Perubahan tingkat energi pada tingkat transisi

Tingkat energi pada senyawa transisi bertambah besar akan memperlambat reaksi (∆G

lebih tinggi).

2.3. Mekanisme SN1 (Substitusi Unimolekuler)

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

10

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.

Mekanisme ini berlangsung dua langkah. Pada langkah pertama yang berjalan lambat,

ikatan antara karbon dan gugus pergi putus sewaktu substrat ini berdisosiasi (mengion).

Elektron dari ikatan C–L pergi bersama gugus pergi dan terbentuk karbokation.

Sedangkan pada langkah kedua yang berlangsung cepat, karbokation bergabung dengan

nukleofili menghasilkan produk.

Jika nukleofili berupa molekul netral, contohnya air atau alkohol, lepasnya satu

proton dari oksigen nukleofilik pada langkah ketiga menghasilkan produk akhir.

Angka 1 digunakan untuk menunjukkan mekanisme ini sebab langkah pertama

lajunya yang lambat hanya melibatkan salah satu dari dua rektan, yaitu substrat. Tahap

penentu laju ini tidak melibatkan salah satu dari dua reaktan, yaitu substrat. Tahap penentu

laju reaksi ini tidak melibatkan nukleofili sama sekali. Artinya langkah pertama termasuk

unimolekuler. Reaksi SN1 menyerupai adisi elektrofil pada alkena yaitu reaksi lain yang

memiliki karbokation intermediet.

Beberapa petunjuk agar mengetahui mekanisme SN1

11

1. Laju reaksi tidak bergantung pada konsentrasi nukleofili. Langkah pertama adalah

penentu laju dan nukleofili tidak terlibat dalam langkah ini. Dengan demikian kendala

dalam laju reaksi adalah laju pembentukan karbokation bukan laju reaksinya dengan

nukleofili yang berlangsung secara cepat.

2. Jika karbon pembawa gugus pergi merupakan streogenik, reaksi berlangsung terutama

dengan hilangnya aktivitas optis (artinya dengan rasemisasi). Pada karbokation hanya

tiga gugus yang melekat pada karbon yng bermuatan positif. Maka karbon positif

terhibridisasi sp2 dan berbentuk planar. Contohnya (R)–3–bromo–3–metilheksana

dengan air menghasilkan alkohol rasemik.

Karbokation intermediet berbentuk planar dan akiral. Gabungan dengan H2O dari

“atas” atau “bawah” sama peluangnya, masing-masing menghasilkan alkohol R dan S

dalam jumlah yang sama.

3. Reaksi paling cepat bila gugus alkil pada substrat keadaan tersier dan paling lambat

bila primer. Hal ini karena reaksi SN1 berlangsung melalui karbokation sehingga

urutan reaktivitasnya sama dengan urutan kestabilan karbokation (30 ˃20 ˃10) artinya

semakin mudah pembentukan karbokation semakin cepat reaksi berlangsung. Maka

reaktivitas SN1 juga sejalan dengan karbokation yang terstabilkan resonansi,

contohnya karbokation alilik. Dan reaktivitas SN1 kurang menyukai aril dan vinil

halida karena karbokation aril dan vinil tidak stabil dan tidak mudah terbentuk.

2.4. Diagram Energi Reaksi SN1

12

Gambar 1.2 Diagram energi untuk reaksi SN1

Perhatikan diagram energi untuk suatu reaksi SN1. Tahap ionisasi secara khas mempunyai

energi aktivasi tinggi, inilah tahap lambat dalam proses keseluruhan. Harus tersedia cukup

energi agar alkil halida tersier mematahkan ikatan sigma C–X dan menghasilkan karbokation

serta ion halida. Karbokation it adalah zat antara (intermediate) dalam reaksi ini, suatu

struktur yang terbentuk dalam reaksi dan bereaksi lebih lanjut menghasilkan produk. Suatu

zat antara bukanlah keadaan transisi. Zat antara mempunyai usia terhingga(finite) sedangkan

keadaan transisi tidak. Pada keadaan transisi, molekul mengalami pematahan ikatan dan

pembentukan ikatan. Energi potensial suatu keadaan transisi merupakan titik puncak dalam

kurva energi. Energi suatu zat antara lebih rendah daripada energi keadaan-keadaan transisi

yang mengapitnya, tetapi energi ini lebih tinggi daripada energi produk-produk akhir. Solven

dapat mempengaruhi laju reaksi. Beberapa solven berinteraksi dengan ion karbonium dan

menstabilkannya. Akibatnya, ∆G akan turun dan reaksi berjalan lebih cepat. Solven, mis: air

dan metanol adalah bagus untuk mensovasi ion karbonium, non polar solvent, seperti

hidrokarbon jelek dalam mensolvasi ion. Alasan pengaruh solven pada reaksi SN1 dan SN2

berbeda. Pada SN2, reaksi berjalan dengan cepat dalam polar aprotik solven, dan berjalan

lebih lambat dalam protik solven, ( energi ground-state dari nukleofil yang menyerang

diturunkan oleh adanya solvasi yang menyebabkan naiknya ∆G). Pada reaksi SN1, reaksi

berjalan baik pada polar protik soven, karena tingkat energi transition-state lebih diturunkan

R–Br

R+ + Br–

R–Nu

Keadaan transisi untuk ionisasi SN1

Kedaan transisi diserang Nukleofili

13

dibanding energi ground-state dari nukleofil. Selain itu tahap penentu kecepatan adalah

pembentukan karbokation.

3. Persaingan Antara SN2 dan SN1

Perbedaan antara SN1 dan SN2

Variabel SN2 SN1

Struktur halida

Primer atau CH3

Sekunder

Tersier

Sering dijumpai

Kadang – kadang

Jarang

Jarang

Kadang – kadang

Sering dijumpai

Stereokimia Inversi Raseminasi

Pelarut Laju dihambat oleh pelarut

protik polar dan meningkat

dengan pelarut aprotik polar

Karena intermediet berupa

ion, lajunya meningkat dalam

pelarut polar

Nukleofili Laju bergantung pada

konsentrasi nukleofili,

mekanisme menyukai

nukleofili yang berupa anion

Laju tidak bergantung pada

konsentrasi nukleofili,

mekanisme cenderung

dengan nukleofili netral

Ada beberapa ketentuan umum yang berguna, yakni :

1. Ion negatif lebih nukleofilik atau pemasok elektron yang lebih baik daripada molekul

netral. Maka HO- ˃HOH; RS-˃RSH;RO-˃ROH

2. Unsur yang berada di bagian bawah tabel berkala cenderung lebih nukleofilik dari

pada unsur yang terletak di bagian atas pada golongan yang sama, maka

HS-˃HO-;I-˃Br-˃Cl-˃F- (dalam pelarut protik)

3. Unsur dalam periode yang sama pada tabel berkala cenderung kurang nukleofilik jika

unsur tersebut semakin elektronegatif (artinya semakin kuat mengikat elektron pada

dirinya).

Contohnya :

a. Mekanisme manakah SN2 atau SN1 yang terjadi menurut anda?

(CH3)3CBr + CH3OH (CH3)3COCH3 + HBr

Jawab :

14

SN1, karena substrat berupa alkil halida tersier. Juga, methanol ialah nukleofili

netral netral yang lemah, dan jika digunakan sebagai pelarut reaksi bersifat agak

polar maka reaksi menyukai ioninasasi

b. Mekanisme manakah SN2 atau SN1 yang anda perkirakan untuk reaksi ini?

CH3CH2–I + NaOCH3 CH3CH2–OCH3 + NaI

Jawab:

SN2, karena substratnya berupa halida primer dan metoksida (CH3CO-) adalah

anion yaitu nukleofili yang agak kuat.

4. Soal-Soal Latihan

a. Tuliskan persamaan reaksi untuk tahap-tahap dalam reaksi SN1 dari 2 kloro-2-

metilbutana dengan metanol.

b. Gambarkan reaksi dari (R)-2- bromooktana dengan OH- , substitusi jenis apakah yang

terjadi?

c. Gambarkanlah diagram energi reaksi untuk reaksi CH3CH2 CH2Br dengan natrium

sianida. Apa produk yang diharapkan dari reaksi tersebut?

d. Gambarkanlah diagram energi reaksi untuk reaksi (CH3)3C–Cl dengan CH3–OH. Apa

produk yang diharapkan dari reaksi tersebut?

15

DAFTAR PUSTAKA

Ahluwalia . K., dan Parashar .R.K., (2007), Organic Reaction Mechanism, Third

Edition, Narosa Publishing House, New Delhi

Fessenden & Fessenden., (1986), Kimia Organik Edisi Ketiga, Jakarta, Erlangga.

Hart .H., (1983), Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat, Edisi Keenam, Jakarta,

Erlangga

Hart .H., (1983), Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat, Edisi Kesebelas, Jakarta,

Erlangga