Mekanisme Reaksi Organik

Mekanisme Reaksi Organik
1.0
Pendahuluan
Pada bagian ini, akan mengingatkan kembali dasar-dasar yang biasa dipakai untuk
menuliskan mekanisme reaksi pada senyawa organik.Untuk menulis mekanisme reaksi
organik saudara harus dapat memahami distribusi elektron dan kerapatan elektron dan
hubungannya elektron-elektron pada raw-material dan elektron-elektron pada senyawa
hasil reaksi (produk).
1.1
Menulis struktur senyawa organik
1.1.1 Bagaimana menulis struktur Lewis dan Menghitung
muatan formal.
Untuk dapat menguasai dan memahami mekanisme reaksi, sangat
diperlukan dapat menyusun struktur Lewis senyawa organik, terutama
terhadap pasangan elektron yang sering dipergunakan dalam menulis
mekanisme reaksi.
Untuk dapat menggambarkan struktur Lewis , kita dapat memakai rumus
seperti di bawah ini:
Muatan formal=
 elektronvalensi  
elektronberika tan
2
  elektronta kberika tan
Contoh:
Bagaimana muatan formal senyawa : a). Diazometan H 2C=N=N
b). Metil isosianida H3C-NC
c). Asetonitril oksida H3C-CN-O
Jawab:
1
H
1
2
H C
N
N
a). H2C=N=N
Struktur Lewis
Hidrogen
muatan formal = 1 - 2/2 - 0 = 0
Karbon
muatan formal = 4 - 8/2 - 0 = 0
Nitrogen-1
muatan formal = 5 - 8/2 - 0 = +1
Nitrogen-2
muatan formal = 5 - 42 - 4 = -1
Perhatian: Elektron valensi adalah elektron yang dimiliki oleh setiap unsur.
Elektron ikatan adalah elektron yang terlibat dalam ikatan antar atom.
Elektron tak berikatan adalah pasangan elektron sunyi (bebas/takberikatan)
1.2
Menghitung ikatan rangkap dan cincin
Dengan mengetahui rumus molekul suatu senyawa, kita dapat menghitung jumlah
cincin dan / atau ikatan rangkap yang ada dalam molekul. Hal ini didasarkan bahwa
senyawa hidrokarbon jenuh mengandung hidrogen 2n + 2, dimana n adalah jumlah
atom karbon. Dan setiap adanya cincin atau / dan ikatan rangkap dalam molekul berarti
struktur akan mempunyai jumlah atom hidrogen menjadi berkurang dua.
Misalkan jumlah atom karbon dalam molekul adalah n, berarti jumlah atom
hidrogen dalam keadaan jenuh adalah 2n + 2. Jika ada nitrogen atau posfor, maka jumlah
atom hidrogen dikurangi satu untuk setiap atom nitrogen atau atom posfor, kemudian
hasilnya dibagi 2, hasil yang didapat adalah jumlah ikatan rangkap dan cincin. Jika ada
atom halogen maka, atom hidrogen yang ada ditambah dengan satu, setelah 2n + n
dikurangi atom hidrogen yang berasal , karena adanya atom halogen lalu dibagi dua,
hasilnya adalah jumlah ikatan rangkap dan cincin.
Contoh:
2
1. Hitunglah jumlah cincin atau ikatan rangkap dari senyawa a. C2H2Cl2Br2
b. C2H3N
Jawab:
a). C2H2Cl2Br2 , n=2, jumlah atom hidrogen dalam Hidrokarbon jenuh adalah 2n + 2= 6.
Atom hidrogen yang ada =2, ditambah dengan 2 ( dari Cl ) dan 2 ( dari Br )= 6, maka
jumlah ikatan rangkap dan cincin adalah 6-6 / 2 = 0 / 2= 0.
b). C2H3N, n=2, atom hidrogen jenuh = 6, Atom hidrogen yang ada =3 dikurangi satu
(untuk setiap atom nitrogen atau posfor) menjadi 2.
6-2 dibagi dua = 2, maka jumlah cincin atau ikatan rangkap ada 2. ( senyawa tersebut
kemungkinan mengandung: 2 cinicn, atau 2 ikatan rangkap atau satu ikatan rangkap dan
satu cincin.)
Beberapa kemungkinan struktur molekul senyawa C2H3N adalah:
H
H
C
C
C
N
C
C
N
H
N
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
N
N
H
H
1.3
Menggambar Struktur Resonansi
Struktur resonansi dapat membantu dalam menggambarkan bagaimana distribusi elektron
di dalam molekul. Contoh di bawah bagaimana menggambarkan struktur resonansi dari
naftalen?
Cara lain dapat juga sebagai berikut:
3
Aturan Struktur Resonansi
1.
Semua elektron terlibat dalam delokalisasi elektron ( π elektron ), pasangan
elektron sunyi, dapat terlibat dalam orbital p.
2.
Setiap elektron yang terlibat dalam delokalisasi harus mempunyai overlap
yang sama dengan elektron lain, ini berarti, jika orbital dengan orientasi pada
sudut 90o maka tidak terjadi overlap. Overlap dapat terjadi apbila orbital
diorientasikan pada sudut 0o.
3.
Setiap struktur resonansi harus mempunyai jumlah elektron π yang sama.
Untuk elektron π hanya 2 elektron, untuk ikatan rangkap tiga, hanya dua
elektron yang overlap dengan sistim phi konyugasi. Demikia juga dua untuk
muatan positif.
4.
Struktur resonansi yang bergantung pada pemisahan muatan , mempunyai
energi yang tinggi dan tidak dapat memberikan kontribusi untuk memberikan
hibridisasi resonansi, dibandingkan dengan struktur yang tidak mengalami
pemisahan muatan.
CH2
H2C
R
CH2
H2C
O-
O
C
5.
lebih memadai beresonansi dari pada
C+
lebih memadai beresonansi dari pada
R
-
O
-
O
Umumnya , struktur resonansi akan lebih disukai apabila muatan negatif
berada pada atom yang sangat elektronegatif dan muatan positif berada pada
atom yang
-
elektropositif.
H2C
O
O
C
lebih berkontribusi dari pada
H2C
CH3
O
C
CH3
O
lebih berkontribusi dari pada
4
1.4
Aromatik dan Anti-aromatik
1.4.1
Aromatik
Senyawa siklis yang sepenuhnya memperlihatkan sistim konyugasi elektron π,
umumnya mempunyai ketabilan yang sangat tinggi, sistim semacam ini dikenal
dalam aromatik.
Huckel, menunjukkan senyawa aromatik adalah yang dapat memenuhi aturan yaitu;
(4n + 2) π elektron.
n dapat 0, 1, 2, 3 ....... dst
maka senyawa aromatik berturut-turut dapat memiliki 2, 6,
10, 14, 18 ....... π elektron.
Contoh:
Beberapa senyawa aromatik yang memenuhi aturan Huckel seperti di bawah ini;
Jumlah elektron Phi
6
6
6
2
1.4.2 Anti Aromatik
Bagaimana dengan senyawa yang mempunyai ( 4n ) π elektron ? seperti ( 4, 8, 12
, 16 ..). Sisitim ini tidak distabilisasikan dengan delokalisasi oleh karena itu disebut antiaromatik.
Contoh:
Jumlah elektron Phi
4
4
4
8
5
Tiga yang pertama senyawa mempunyai 4 π elektron dan yang keempat mempunyai 8 π
elektron. Semuanya mrupakan senyawa yang tidak stabil. Dengan kata lain senyawa
siklo-oktatetraena dengan 8 π elektron lebih stabil daripada senyawa di atas.
Siklo-oktatetraena
Hal ini disebabkan π elektron di dalam siklo-oktatetraena tidak seutuhnya didelokalisasi:
Cincin 8 akan bengkok menjadi struktur berupa tabung dan ikatan π elektron tidak
paralel.
1.5
Kesetimbangan dan Tautomerisasi
Kesetimbangan reaksi terjadi jika kecepatan antara produk dan reaktan adalah sama.
Contoh:
CH3COO- = H3O+
CH3COOH + H2O
Tautomer adalah isomer yang berbeda susunan ikatan tunggal dan ikatan rangkap dan
atom yang kecil, seperti atom hidrogen.
Contoh:
O
H3C
OH
C
CH3
H3C
Keto
OH
Enol
C
CH2
Enol
O
O
Keto
Keto
6
Catatan:
Orang sering bimbang terhadap perbedaan antara resonansi dan tautomerisasi.
Berikut tiga pedoman yang harus diingat:
1. Tautomerisasi adalah suatu kesetimbangan antara isomer, yang berbeda pada
tempat lokasi ikatan rangkap dan hidrogen. Kesetimbangan ditunjukkan dengan
tanda panah.
2. Stuktur resonansi, diperlihatkan seperti pada kesetimbangan dengan anak panah,
dan bukan merupakan spesies yang berbeda yang berada dalam kesetimbangan.
Resonansi hanya merupakan pola ikatan π yang berbeda.
3. Tidak seperti struktur isomer, semua struktur resonansi adalah merupakan spesies
yang berbeda, dengan pola ikatan sigma (dengan beberapa pengecualian) dan
geometry yang identik.
Tautomerisasi Vs Resonansi
Contoh:
R
H
R
O
HO
O
O
O
O
I
II
Senyawa I dan II adalah tautomer; mereka berisomer dan berada dalam kesetimbangan
satu sam lainnya.
Sedangkan senyawa III, IV dan V adalah bentuk resonansinya, hibridisasi ketiga struktur
ini dapat dinyatakan dalam tiga bentuk dengan pelepasan proton dari senyawa I.
R
O
R
O
O
-
O
O
O
III
R
O
O
-
O
IV
V
7
1.6
Nukleofilik dan Elektrofilik
Suatu senyawa kimia yang mencari pusat-pusat atom yang miskin elektron
disebut nukleofil. Molekul semacam ini biasanya mempinyai muatan negatif atau parsial
negatif pada atom nukleofilik.
Pusat-pusat atom yang miskin elektron adalah merupakan suatu atom yang mempunyai
muatan positif atau parsial positif. Senyawa kimia yang kekurangan elektron yang
bereaksi dengan nukleofil disebut elektrofil. Contoh elektrofil termasuk asam Lewis
seperti; ZnCl3, Al Cl3, dan BF3 ; PBr3, SOCl2’ atom karbon yang berikatan dengan
halogen (F,Cl, Br dan I ), alfa karbondari α-asam halogen, ester dan keton, ROSO2R’
dimana R’= p-tolil, CF3, CH3 dsb.
Nukleofil dengan kebasaan biasanya adalah paralel. Kecepatan realatif reaksi nuklefilik
juga tergantung pada substrat dan living grup.
Dari reaksi-reaksi di bawah ini, tentukan nukleofil dan elektrofil setiap reaktannya. Pada
a, b dan c terdapat bagian yang dari asetophenon, yang dapat berperan baik sebagai
nukleofil maupun elektrofil.
O
O
a).
+
ON2
NO2
+
H
O
b).
H2SO 4
O H
+
+
O
c). CH3M g-Br
+
d).
+
HSO4-
OMgBr
Cl
H-Cl
Jawab:
8
a). +NO2 adalah elektrofil (jika ditulis dengan struktrur Lewis, struktur ini dapat
mununjukkan bahwa nitrogen bermutan positif ), maka atom ini akan bereaksi dengan
nukleofilik. Pada asetofenon elektron π pada cincin bertindak sebagai nukleofil.
Dengan mudah kita ketahui bahwa, nukleofil (pasangan elektron pada
O
N
O
karbon dimana nitrogen terikat).
b). Satu proton dari asam sulfat adalah elektrofil yang akan menuju ke atom oksigen dari
asetofenon. Maka oksigen dalam reaksi ini akan berfungsi sebagai nukleofil. Satu lagi
yang juga dapat memperlihatkan elektron π dari gugus C=O yang berfungsi sebagai
nukleofil, dan meberikan struktur sbb:
O
H
C
c). Pasangan elektron ikatan π antara gugus metil dan magnesium adalah nukleofil. Ikatan
pereaksi Grignard adalah ikatan kovalen yang terpolarisasi dengan atom karbon
bermuatan sangat negatif. Karbon ini akan mengikat karbon dari gugus karbonil pada
asetofenon, dimana karbon terakhir ini adalah suatu elektrofil.
d). Pasangan elektron, merupakan ikatan π pada sikloheksena, adalah nukleofili dan
proton dari H-Cl adalah elektrofil.
II.
Prinsip-Prinsip umum Dalam Menulis Mekanisme Organik
Prinsip-prinsip ini didapat dari pengalaman dalam percobaan reaksi organik dan
kemudian diaplikasikan dalam menulis mekanisme reaksi, beberapa prinsip adalah
sebagai berikut:
2.1
a).
Kesetimbangan atom dan muatan
9
Dalam suatu reaksi kesetimbangan, mula-mula melihat pada kesetimbangan semua atomatom yang terlibat pada dua sisi, kemudian baru kesetimbangan muatannya. Perlu
disadari kesetimbangan dalam literatur organik kadang-kadang tidak setibang.
H
O
+
C
H3C
H
H
O
O
C
H
H3C
H
O
H
O
H
H
O
+
N
H3C
+
OEt
H2C
O
+
N
HOEt
O
Jika atom-atom sebelah kiri bermuatan postif maka sisi kanan juga harus memiliki
muatan positif atau bermuatan negatif.
b).
Tanda panah dipakai untuk menunjukan pergerakan elektron, yaitu dari
elektyron yang mempunyai kerapatan tinggi ke atom yang mempunyai kerapatan elektron
rendah, dengan perkataan lain elektron bergerak dari nukleofil kearah elektrofil.
H3C
C
H
H
O
+
H
O
H
O
+
O
C
H3C
H
H
H
H
O
O
H
N
C
O
H
C
H
N
+ OEt
O
H
H
OEt
Yang menjadi pertanyaan adalah, mengapa elektron pada oksigen lebih menyukai
menyerang atom H daripada muatan positif yang ada pada atom karbon.
10
c). Jika reaksi berlangsung dalam suasana basa kuat.
Jika reaksi berlangsung dalam suasana basa kuat, maka spesi muatan positif harus
sebagai asam lemah, dan jika berlangsung dalam suasana asam kuat, maka spesi
bermuatan negatif haruslah basa lemah.
Suasana basa kuat.
O
O
H
N
C
H
O
C
H
N
+ OEt
O
H
H
OEt
O
H3C
C
O
O
CH3
H
H
C
C
O
CH3
H3C
OH
H
OH
O
H
C
O
OCH3
O
H3C
C
O-
+
CH3OH
Karena reaksi di atas berlangsung dalam suasana basa kuat, maka semua muatan dalam
mekanisme adalah negatif.
Reaksi-reaksi di bawah ini adalah salah, sebab melibatkan pembentukan ROH2
(intermediet) dan H3O+ yang merupakan asam kuat.
O
O
H3C
C
O
CH3
C
H3C
OH2
H
O
CH3
O
11
H
OH2
O
Suasana Asam kuat
C
H3C
O
CH3
+ H3O
+
Contohnya adalah reaksi esterifikasi asam asetat
dengan metanol dalam asam kuat.
O
H
H
H
O
H3C
C
O
O
H
C
H3C
O
O
H
HOCH3
H
CH3
Reaksi di bawah ini sangat tidak mungkin, karena reaksi berlangsung dalam basa kuat
dan protonasi oksigen karbonil dengan asam kuat.
H
H
O
O
C
H3C
O
H
H3C
C
O
OCH3
2.2
O
H
+
HOCH3
CH3
Menulis Mekanisme dalam asam atau basa lemah.
Di bawah ini sering orang menulis mekanisme hidrolisis asetil klorida dalam air (
kebanyakan senyawa asetil klorida diprotonasi terlebih dahulu sebelum bereaksi dengan
nukleofil).
O
O
H3C
C
OH2
Cl
Cl
C
H3C
H3C
H
Cl-
O
C
O
O
H
H
H
CH3COOH +
HCl
12
2.2.1
Mekanisme Tautomerisasi enol dalam air (kondisi netral) dengan
melibatkan asam dan basa kuat sebagai intermedit sbb:

Tahap pertama, transfer (perpindahan) proton dari enol ke molekul air. Namun
dalam kenyataannya adalah berlangsung dari nukleofilik ke elektrofilik.
H
H
O
O
O
H3C
C
H
CH2
C
H3C
+ H3O+
CH2
Anion yang terbentuk, dapat berhibridisasi resonansi seperti di bawah ini:
O
O
H3C
C
H3C
CH2
C
CH2-
Hibrid ini dapat menarik proton dari hidronium ion menghasilkan keton tautomer.
O
H3C
C
O
H
CH2-
H
O
H
H3C
C
+ H2O
CH3
Catatan:
Serangan nukleofilik tidak dapat berlangsung pada oksigen atau nitrogen yang
bermuatan positif ( elektron valensi telah terisi penuh), karena hanya delapan elektron
13
yang dapat diakomedasikan oleh unsur periode ke dua. Tetapi unsur-unsur periode
tiga seperti sulfur dan phospor dapat diakomodasikan sampai 10 elektron.
Contoh; Nitrogen tidak dapat diakomodasikan lebih dari 8 elektron.
Cl
H
Cl
N
C
H
N
C
H
H
Untuk menghindari keadaan seperti ini, π elektron pada ikatan rangkap dapat dipindahkan
pada atom karbon tetangganya, dan menghasilkan suatu garam internal yang disebut
dengan Ylied. Meskipun agak kurang stabil ylied adalah merupakan intermedit yang
banyak dikenal dalam reaksi-reaksi.
Cl
H
Cl
N
C
N
C
H
H
H
Jika nukleofilik netral menyerang nitrogen dengancara yang sama, akan ada tiga muatan ,
dua muatan positif berdekatan dan intermedit ini sangat tidak stabil.
R
H
H
H
N O
C
N
C
H
Cl
O
Cl
H
R
Reaksi yang disukai adalah;
H
O
R
Cl
C
H
Cl
R
N
O
H
C
N
H
14
2.3
Dasar pertimbangan terhadap gugus tinggal (leaving groups) dalam
hidrolisa suasana asam dan basa pada senyawa amida.
Amonia merupakan leaving groups dalam hidrolisa suasana asam suatu amida.
Ion amida NH2- adalah leaving groups dalam hidrolisa suasana basa. Perbedaan ini dapat
dijelaskan dengan kekuatan relatif dari nukleofilik intramolekuler terhadap kemampuan
ion amida atau amonia sebagai leaving groups.
Dalam suasana asam nukleofilik intramolekuler adalah oksigen dari hidroksi
dalam intermedit tetrahedral.
O
O
H
H
O
R
C
NH2
+ H3O+
O
H
C
NH3
R
C
O
H
+ NH3
R
Dalam suasana basa, nukleofilik intramolekuler adalah oksianion dari intermedit
tetrahedral:
O
R
C
+ OHNH2
O
O
H
O
C
R
NH2
R
C
O
H
+ NH2-
Dalam suasana asam, gugus hidroksil tidak cukup kuat sebagai nukleofilik untuk
melepaskan ion amida, sehingga nitrogen harus diprotonasi lebih dulu, sehingga leaving
groupnya adalah amonia yang stabil. Dalam suasana basa oksianion terbentuk dari reaksi
antara amida dan ion hidroksil, merupakan nukleofilik yang kuat untuk melepaskan ion
amida.
Catatan:
Memahami hubungan antara atom-atom dari bahan baku dan atom-atom
dalam produk reaksi, dapat dibantu dengan memberikan penomoran pada bahan baku
dan kemudian penomoran pada atom-atom yang sama pada hasil reaksi.
15
Contoh: Tuliskan mekanisme reaksi berikut:
H
N
H3CO
S
Et 3N
N
S
N
Ph
N
MeOH
Ph
O
O
Berikan penomoran pada bahan baku dan produk reaksi di atas.
Yakinkan bahwa atom nitrogen-1 berikatan dengan atom karbon-6.
3
5
H3CO
S
4
6
N
2
H
N
1
3
Et 3N
4
S
MeOH
5
N2
1
N
Ph
6
O
Ph
O
Sekarang langsung tuliskan mekanisme reaksi sebagai berikut:
3
5
H3CO
S
4
6
N
2
H
N
1
4
Ph
N
1
N2
S
H
5
H3CO
3
4
N2
S
6
O
NEt3
3
N
5
6
Ph
H3CO
O
1
Ph
O
3
4
N2
S
N
5
6
+ CH3O
1
Ph
O
16
BAB III
Reaksi Nukleofilik dan Basa
Pada bab ini termasuk contoh reaksi substitusi nukleofilik alifatik baik sp 3
maupun sp2, substitusi nukleofilik aromatik, eleminasi E-2, adisi nukleofilik pada
senyawa karbonil, adisi 1,4- senyawa karbonil α-β tak jenuh dan reaksi penataan ulang
suasana basa.
3.0
Reaksi SN2.
Reaksi Sn2 adalah merupakan reaksi substitusi nukleofilik bimolekuler serentak, yang
melibatkan karbon elektrofilik, leaving geoups dan nukleofil.
Elektron dari nukleofil akan berinteraksi dengan atom karbon dan saat yang bersamaan
gugus tinggal akan mengambil elektron ikatan antara karbon dan gugus tinggal.
PhCH2 OSO 2CF3
CN
PhCH2 CN +
OSO2CF3
Umumnya basa lemah ,merupakan gugus tinggal (leaving groups) yang baik.
Beberapa contoh gugus tinggal (leaving groups)
Paling baik
O
O
N2
OSO2CF3
O
S
NO2
O
S
Br
triflat
O
nosilat
O
brosilat
O
O
S
O
CH3
OSO2CH3
mesilat
tosilat
17
Baik
Sedang
Buruk
Sangat buruk
I-, Br-, Cl-, SR2
H2O, NH2, -OCOCH3 F-, OH-, -OR
-
NH2, -NHR,-NR2, R-, H-,Ar-
Dalamm reaksi eleminasi , hidroksida berlaku sebagai leaving groups, hanya jika
ada kekuatan yang mampu untuk melepaskan gugus hidroksi, seperti pembentukan ikatan
rangkap yang stabil (distabilkan oleh resonansi).
Contoh:
Reaksi SN2 alkohol memerlukan protonasi terlebih dahulu, maka gugus tinggal adalah
H2O yang lebih baik daripada OH- (gugus tinggal yang buruk).
H
O
H
O
Br
H
H
+ Br-
H
O
Br
H
+ H2O
Br-
Reaksi SN2 hanya terjadi pada karbon hibridisasi sp3, reaktivitas relatif karbon pada reaksi
SN2 adalah CH3 > 1o > 2o > 3o, karena adanya pengaruh ruang. Metil , 1o, 2o dan karbon
allilik, benzilik atau alpha gugus karbonil sangat reaktif, senyawa alpha-halokarbonil
memperlihatkan reaktifitas reaksi SN2. Produk reaksi SN2 konfigurasinya selalu inversi
100%.
Contoh:
Manakah elektrofil, nukleofil dan gugus tinggal dari reaksi di bawah ini;
Ph
P
Ph
Ph
O
Ph
H3O+
O
+
b).
Ph
+ CH3CH2Br
P
Ph
Br
CH3CH2
a).
Ph
H
H
HO
OH
Ph
18
Jawab:
a). Karbon metilen dari etil bromida adalah elektrofil, pasangan elektron sunyi dari posfor
pada trifenilposfor adalah nukleofilik, sedangkan ion bromida adalah leaving groupnya.
Garam yang terbentuk stabil, dan tidak ada reaksi berikutnya. Jika kita menganggap
etoksi akan tebentuk dan belaku sebagai nukleofilik sehingga akan terjadi reaksi lanjut,
maka kita mengabaikan kekuatan keasaman relatif dari HBr dan EtOH (lihat Tabel ).
pKa’s relatif menunjukkan bahwa reaksi tidak akan terjadi:
Br
+ EtOH
HBr + EtO-
HBr mempunyai pKa = -9 sedangkan EtOH = 16, maka Ka reaksi adalah 10-25 .
Kecendrungan ionisasi dari etil bromida untuk menghasilkan karbonium ion tidak disukai
dan juga karena karbonium ion primer sangat tidak stabil.
b). Dalam suasana asam, tahap pertama adalah protonasi oksigen dari epoksida, agar
menjadi leaving group yang baik. Kemudian diikuti pembukaan cincin, menjadi
karboiniumion yang stabil yang distabilkan oleh konyugasi dari gugus fenil, baru
kemudian bereaksi dengan air sebagai nukleofilik pada muatan karbon yang positif.
H
O
H
O
Ph
H
H2O
O
OH
H
Ph
Ph
H
H2O
H
O
OH
Produk
Ph
3.1
Substitusi Nukleofilik pada Karbon sp2 Alifatik
19
Reaksi substitusi yang sangat familier dari turunan asam karboksilat dengan basa adalah
gambaran reaksi substitusi nukleofilik pada atom karbon sp 2 alifatik. Mekanisme reaksi
ini teridri dari dua tahap:
1). Adisi nukleofilik pada gugus karbonil dan
2). Eliminasi beberapa gugus lain yang terikat pada atom karbon. Contoh ini temasuk
hidrolisa suasana basa, aminolisis dari klorida asam, anhidrid, ester da amida.
Contoh mekanisme hidrolisis suatu ester dalam kondisi basa.
Tidak seperti satu tahap reaksi substitusi SN2 , hidrolisa ester dalam kondisi basa melalui
proses dua tahap.
O
H3C
C
O
O
CH3
H3C
OH
O
OCH3
C
H3C
+ OCH3
C
OH
HO
Kemudian diikuti keluarnya proton dari asam dengan adanya ion metoksida,
menghasilkan metanol dan asam karboksilat.
O
H3C
C
O
OCH3
O
H
H3C
C
+ HOCH3
O
Mekanisme hidrolisis lain yang mungkin adalah reaksi S N2 pada karbon alkil suatu ester.
O
H3C
C
O
CH3
O
OH
C
H3C
+ HOCH3
O
Mekanisme satu tahap ini kelihatannya sangat masuk akal, sebab karboksilat merupakan
gugus tinggal yang sedang dan hidroksida ion merupakan nukleofil yang baik. Namun
mekanisme ini dikesampingkan , karena mekanisme dua tahap lebih disukai sebab
mobilitas yang tinggi dari elektron phi gugus karbonil, menjadikan karbon karbonil suatu
elektropil yang khusus.
R
CO2Me
R
CO2Me
Contoh soal:
N
O
N
1. NaH/DMF
2. H2O
+ OCH3
OH
20
a). Bagaimana mekanisme reaksi berikut:
Jawab:
R
H
N
R
R
CO2Me
CO2Me
CO2Me
N
H
N
O
O
O
O
H
R
H
CO2Me
N
OH
b). Tuliskan tahapan mekanisme transformasi berikut:
OH
N
NH
H3C N
N
+
CH2(CO2Et)2
NaOMe
H3C N
N
NH2
N
OH
( I )
Karena ada basa kuat, maka mekanisme tidak melalui nitrogen guanidin sebagai
nukleofilik, tetapi tahap pertama adalah menaik proton dari gugus NH 2 guanidin, dan
akan menghasilkan anion yang distabilkan oleh resonansi seperti berikut:
NH
NH
H3C N
N
N
H
H3C N
H
N
NH
OMe
( II )
Jika yang terlepas hidrogen dari nitrogen imino akan menghasilkan anion tidak stabil
(tidak distabilkan dengan resonansi). Reaksi dapat berlangsung dengan melepaskan
proton dari karbon alfa etil malonat, namun reaaksi ini menghasilkan produk (merupakan
reaksi yang tidak produktif). Reaksi lain yang juga tidak produktif adalah interchange
21
dari ester dietil malonat. Hal ini karena sodium metoksida akan bereaksi etil ester untuk
menghasilkan metil ester, namun reaksi ini tidak berlangsung karena metil dan etil etil
ester mempunyai kereaktivann yang sama. Nitrogen nukleofilik (II) akan menyerang
gugus karbonil, dan melepaskan ion etoksida.
CO2Et
NH
H3C N
N
NH H2C
O
NH
C
H3C N
OEt
N
N
H
H2C
C
O
OEt
COOEt
H3C N
NH
H2C
N
N
C
CO2Et
O
H
EtO
( III)
Intermedit (III) bereaksi dan akan menghasilkan (IV) yang beresonansi menghasilkan
anion yang stabil (V). Anion (IV) dan (V) akan menyerang karbonil ester yang
berikutnya, dan mengeluarkan (eleminasi) etoksida menghasilkan senyawa ( VI ).
EtO
H3C N
NH
H2C
N
N
C
CO2Et
NH
H3C N
N
( IV)
EtO
C
O
H
HN
CH2
N
N
(VI)
O
C
(V)
EtO
H3C N
CH2
N
O
C
O
C
C
O
N
H3C N
CH2
N
O
N
C
O
( VII )
Intermedit (VII) mengalami dua tautomerisasi untuk menghasilkan produk.
Tautomerisasi yang pertama keluarnya proton dari nitrogen (lebih terdelokaliosasi dari
22
pada keluarnya proton dari atom karbon), enolat (VIII) akan mengambil proton dari
etanol atau metanol.
O
C
H
OEt
N
H3C N
CH2
N
N
C
O
( VIII )
Akhirnya, keluarnya proton asam membentuk produk fenolat (X). Reaksi ini adalah
reversibel dan kekuatan yang mengarahkan reaksi ini adalah terbentuknya garam fenolat
yang stabil.
OH
C
OEt
N
H3C N
CH
N
N
C
C
H
OH
N
H3C N
CH
N
O
N
( IX )
C
O
(X)
Catatan:
Tautomerisasi seperti pada (VIII), perpindahan proton umumnya dianggap sebagai
proses intermolekular, bukan sebagai proses intramolekular seperti pada contoh
berikut:
OH
O
H
C
C
N
N
H3C N
CH2
N
N
H3C N
N
C
O
3.2
CH2
N
C
O
Substitusi Nukleofilik Pada Karbon Aromatik
Mekanisme substitusi aromatik nukleofilik dapat terjadi melalui dua tahapan,
yang pertama adalah adisi kemudian diikuti oleh eleminasi, yang kedua eleminasi dulu
baru kemudian diikuti oleh adisi.
23
a.
Contoh reaktivitas dalam mekanisme adisi-eleminasi.
OH
NH(CH3)2
H
X
X
NO2
O2N
NH(CH 3)2
NO2
O2N
NO2
H3C
NO2
O2N
NO2
NO2
Jika X adalah halogen, maka kecepatan realatif
adalah F >Cl > Br > I, sebab semakin besar kekuatan
CH3
N
H3C
N
CH3
NO2
O 2N
menarik elektron suatu halogen maka akan menaikkan
elektrofilisitas dari cincin aromatik, berarti akan lebih
NO2
reaktif terhadap nukleofilik.
b.
Contoh reaktivitas dalam mekanisme eleminasi-adisi
Tuliskan mekanisme reaksi berikut;
CN
KNH2, liq NH3
Cl
CN
Jawab:
Proton yang paling asam dalam molekul di atas terletak pada alfa dari gugus
karbonitril.Jadi proton ini yang pertama akan aktif, berikutnya adalah eleminasi HCl
menghasilkan benzuna ( keluar proton baru menyusul ion klorida). Intermedit benzyn
(benzuna), maka sistim aromatis menjadi terdelokalisasi sempurna , sehingga
penulisannya tidak boleh seperti berikut;
CN
CN
I
II
24
Intermedit I akan segera berubah menjadi II. Karena anion dari rantai samping akan
bereaksi dengan nukleofilik dari benzuna. Senyawa Anion (II), dapat menarik proton dari
amonia menjadi senyawa (III).
CN
H
3.3
CN
NH2
III
Reaksi-Reaksi eleminasi yang lain
Reaksi eleminasi lain adalah Reaksi E-2 dan E-1. Reaksi E-2 adalah reaksi bimolekuler
yang serentak (concerted proses), concerted berarti terbentuknya ikatan antara basa dan
proton , membentuk ikatan rangkap dan keluarnya leaving group semua terjadi dalam
satu tahap.. Produk stereokimianya biasanya berupa anti(kadang-kadang syn). Anti
dikarenakan proton dan leaving groups terpisah dari sisi yang berlawanan (180 o ). Namun
jika pemisahan bersudut nol derajat ,maka peneleminasinya adalah syn.
Contoh , eleminasi E-2 anti.
25
26