Sesi 18.indd

Se
18
Benzena
Benzena merupakan senyawa hidrokarbon dengan rumus molekul C6H6 dengan struktur
berbentuk cincin (siklik) segienam beraturan. Struktur kimia benzena membuat senyawa ini
memiliki karakteristik yang khas. Senyawa dengan cincin benzena disebut senyawa aromatis.
Pada sesi kali ini kita akan membahas struktur dan tata nama turunan benzena, yaitu senyawa
yang diperoleh dari penggantian satu atau lebih atom H pada benzena. Pada sesi berikutnya,
kita akan membahas reaksi-reaksi benzena.
A.
STRUKTUR DAN SIFAT BENZENA
Rumus molekul C6H6 pada benzena menunjukkan bahwa senyawa tersebut bersifat sangat
tidak jenuh (ingat: perbandingan atom C dengan H yang menandai kejenuhan ikatan
hidrokarbon). Pada awalnya, para ahli kimia mengusulkan bahwa benzena mempunya
struktur alifatik dengan ikatan rangkap dua dan rangkap tiga. Akan tetapi, struktur tersebut
tidak dapat menjelaskan sifat-sifat benzena yang antara lain:
a.
Benzena sangat stabil dan tidak reaktif: Benzena tidak bereaksi dengan Br2 meski
pada suhu tinggi, kecuali jika digunakan katalis, berbeda dengan struktur alifatik
jenuh yang dengan mudah dapat diadisi dengan Br2.
b.
Monosubstitusi atom halogen (X) pada benzena hanya menghasilkan satu jenis
senyawa, yaitu C6H5X. Tidak terjadi keisomeran geometri seperti yang dimiliki struktur
alifatik tak jenuh seperti alkena.
Pada tahun 1865, Friederich August Kekulé mengusulkan struktur segienam yang terdiri
dari enam atom C yang masing-masing mengikat satu atom H, dengan ikatan rangkap
1
GAN
KIMIA
BUN
si
AS
A - K U RIKUL
I IP
UM
GA
KEL
XI
dua yang bergantian antara atom-atom C. Dengan demikian, terdapat tiga ikatan tunggal
dan tiga ikatan rangkap dua pada benzena. Model ini digunakan selama bertahun-tahun
karena mampu menjelaskan sifat-sifat dan reaksi benzena.
Akan tetapi, seiring dengan berkembangnya ilmu pengetahuan, bukti-bukti menunjukkan
bahwa struktur Kekulé tidak dapat menjelaskan fakta-fakta berikut:
a.
Dengan alat difraksi sinar X, diketahui bahwa panjang ikatan tunggal C-C adalah
0,154 nm sedangkan panjang ikatan rangkap dua C=C adalah 0,133 nm. Jika
benzena mempunyai struktur Kekulé, benzena akan memiliki dua panjang ikatan
yang berbeda. Namun, pengukuran menunjukkan bahwa panjang ikatan antaratom
C pada benzena hanya memiliki satu nilai, yaitu 0,139 nm, yang menunjukkan bahwa
semua ikatan pada benzena sama/setara, yaitu berada di antara panjang ikatan
tunggal dan ikatan rangkap dua.
b.
Jika benzena memiliki tiga ikatan tunggal seperti model Kekulé, maka kereaktifan
ikatan-ikatan tersebut seharusnya sama dengan ikatan rangkap pada alkena, yaitu
bersifat dapat diadisi. Pada kenyataannya, benzena hanya terlibat pada reaksi
substitusi.
c.
Perhitungan termokimia menunjukkan bahwa jika benzena memiliki struktur Kekulé,
kalor pembentukan benzena dari unsur-unsurnya adalah +252 kJ/mol. Akan tetapi,
pengukuran menunjukkan bahwa kalor pembentukan benzena hanya +82 kJ/mol.
Artinya, struktur benzena yang sebenarnya jauh lebih stabil daripada struktur yang
diusulkan oleh Kekulé.
Berdasarkan fakta-fakta tersebut, pada tahun 1931 Linus Pauling merumuskan struktur
benzena berada di antara dua struktur Kekulé yang memungkinkan. Struktur ini disebut
hibrid resonansi. Ikatan pada cincin segienam berada di antara ikatan tunggal dan ikatan
rangkap dua yang dilambangkan sebagai berikut:
Pada struktur hibrid resonansi ini terlihat bahwa semua ikatan antaratom C adalah setara.
Elektron-elektron yang digunakan untuk membentuk ikatan antar-atom C digunakan
secara bersama-sama oleh seluruh atom C membentuk sistem delokalisasi yang sangat
stabil. Struktur ini menjelaskan panjang ikatan benzena dan kereaktifan benzena yang
rendah, serta stabilitas termodinamika yang tinggi.
2
Struktur benzena yang lebih simetris daripada struktur alifatik menjelaskan mengapa
benzena memiliki titik leleh (6oC) lebih tinggi daripada heksana (-95oC). Benzena bersifat
tidak larut dalam pelarut polar seperti air dan alkohol, tetapi dapat bercampur dengan
pelarut nonpolar seperti kloroform. Elektron-elektron yang terdelokalisasi menyebabkan
benzena memiliki struktur yang stabil dan kurang reaktif. Untuk dapat bereaksi dibutuhkan
suhu dan tekanan tinggi serta katalis.
Jenis reaksi kimia yang terjadi pada benzena umumnya adalah reaksi substitusi. Reaksi yang
terjadi melibatkan serangan pada cincin benzena yang kaya akan elektron oleh elektrofil
yang mengandung muatan positif parsial/utuh. Oleh karena itu, reaksi yang terjadi disebut
reaksi substitusi elektrofilik. Selain itu, meski sulit, benzena dapat mengalami reaksi adisi
pada kondisi ekstrim. Reaksi yang terjadi melibatkan radikal bebas, bukan ikatan rangkap,
karena akan mengganggu delokalisasi elektron. Seperti halnya hidrokarbon yang lain,
benzena juga dapat mengalami reaksi oksidasi berupa pembakaran.
B.
STRUKTUR DAN TATA NAMA TURUNAN BENZENA
Turunan benzena diperoleh dari benzena dengan mengganti satu atau lebih atom H
dengan gugus tertentu. Tata nama turunan benzena lebih sering menggunakan nama
lazimnya, meskipun memiliki nama IUPAC. Pada sesi kali ini, kita akan mempelajari tata
nama turunan benzena dengan satu dan lebih dari satu substituen.
a.
Turunan Benzena dengan Satu Substituen
Benzena dengan satu substituen mengikuti sistem penamaan yang sama dengan penamaan
hidrokarbon dengan benzena sebagai rantai induk. C6H5Cl adalah klorobenzena, C6H5CH3
adalah metil benzena, dan C6H5OH adalah hidroksibenzena. Akan tetapi, beberapa senyawa
benzena dengan satu substituen memiliki penamaan lazim. C6H5CH3 memiliki nama lazim
toluena dan C6H5OH memiliki nama lazim fenol. Berikut adalah contoh senyawa benzena
dengan satu substituen dan nama lazimnya masing-masing.
CH = CH2
NO2
Stirena
CH3
Nitrobenzena
CHO
Toluena
3
Benzaldehida
NH2
COOH
Anilina
OH
Asam Benzoat
X
Fenol
SO3H
Halobenzena
CO-CH3
Asam
benzenasulfonat
Asetofenon
O-CH3
Anisol
Bila substituen tersebut adalah sebuah rantai hidrokarbon dengan jumlah C lebih dari
jumlah C pada cincin aromatis, maka rantai aromatis akan menjadi substituen bagi rantai
hidrokarbon dan nama senyawa yang digunakan adalah fenilalkana. Perhatikan contoh
berikut:
CH3 – CH – CH2 – C5H11
Senyawa di atas memiliki nama 2-feniloktana, dengan cincin aromatis pada C2.
b.
Turunan Benzena dengan Lebih dari Satu Substituen
Dalam penamaan turunan benzena dengan substituen lebih dari satu, posisi substituen
menjadi penting dengan adanya penomoran. Penomoran dapat dilakukan searah atau
berlawanan arah jarum jam, agar substituen prioritas mendapatkan nomor terkecil. Urutan
prioritas gugus fungsi pada penamaan benzena adalah sebagai berikut:
–COOH > –SO3H >–CHO > –CN > –OH > –NH2 > –R > –NO2 > –X
Benzena dengan dua substituen dinamai dengan awalan orto-, meta-, dan para-,
berdasarkan posisi satu substituen dengan substituen lain.
4
X
X
Y
X
Y
Y
meta-
orto-
para-
Orto- adalah posisi substituen 1,2-, meta adalah posisi 1,3-, dan para- adalah posisi 1,4-,
dengan C1 adalah gugus yang memiliki prioritas lebih tinggi. Jika terdapat lebih dari dua
substituen, penamaan menggunakan penomoran angka.
C.
REAKSI-REAKSI BENZENA
Benzena dengan satu substituen seperti di atas diperoleh melalui reaksi substitusi aromatik
elektrofilik. Reaksi substitusi tersebut mendasari reaksi halogenasi, nitrasi, sulfonasi,
hidroksilasi, alkilasi, dan asilasi benzena. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.
Alkilasi Friedel-Crafts
+ CH3Cl
AlCl3
CH3
+ CHl
Fluorinasi
F
F-TEDA-BF4
Brominasi
Br
+ Br2
FeBr3
5
+ HBr
Klorinasi
Cl
+ Cl2
+ HCl
FeCl3
Iodinasi
I
+ l2
CuCl2
+ Hl
Nitrasi
NO2
H2SO4
+ HNO3
+ H2O
Sulfonasi
SO3H
H2SO4 (pekat)
+ SO3
50oC
Asilasi Friedel Crafts
COCH3
AlCl3
+ CH3COCl
+ HCI
Formilasi Gatterman-Koch
COH
AlCl3, CuCl
+ CO, HCI
6
+ H2O
l Reaksi Hidrogenasi
+ H2
Panas, tekanan tinggi
Pt, Pd, Ni, Ru, atau Rh
D.
PEMANFAATAN BENZENA DAN TURUNANNYA
Benzena dan turunannya merupakan zat yang penting dalam industri untuk berbagai
proses, seperti pembuatan deterjen (alkilbenzenasulfonat), insektisida, serat sintetis
(nilon), obat-obatan (aspirin), pengawet makanan/minuman (natrium benzoat, butil
hidroksi toluena atau BHT), dan minyak wangi. Selain itu, sifat benzena yang nonpolar juga
dimanfaatkan sebagai pelarut untuk melarutkan senyawa-senyawa yang tidak larut dalam
air. Akan tetapi, banyak senyawa turunan benzena yang bersifat racun dan karsinogenik.
7