reaksi substitusi alfa karbonil bab 5

REAKSI SUBSTITUSI ALFA KARBONIL
BAB
5
Dalam bab ini akan dibahas mengenai reaksi substitusi alfa. Ciri utama
dari reaksi ini adalah terjadi melalui pembentukan intermediet enol atau ion
enolat.
5.1. Keto-enol tautomerism
Senyawa karbonil yang mempunyai atom hidrogen pada karbon alfa
dapat mengadakan interkonversi yang cepat dengan bentuk enol-nya (e + ol,
suatu alcohol tak jenuh). Interkonversi yang cepat antara dua spesies yang
berbeda secara kimia tersebut merupakan suatu isomerisme yang spesial yang
dikenal dengan nama tautomerisme, dan individual isomernya disebut
tautomer.
Pada kesetimbangan, kebanyakan senyawa karbonil secara eksklusif
berada dalam bentuk keto, dan sulit untuk mengisolasi bentuk enol yang murni.
Misalnya, sikloheksanon mengandung hanya 0,001% tautomer enol pada
temperatur kamar, dan aseton mengandung sekhar 0,0001% enol. Persentasi
tautomer enol bahkan lebih rendah untuk asam karboksilat dan turunan asilnya
seperti ester dan amida. Meskipun enol sulit diisolasi dan berada dalam jumlah
yang kecil pada kesetimbangan, senyawa ini sangat penting dan terlibat dalam
kebanyakan kimiawi dari senyawa karbonil.
Tautomerisme keto-enol dari senyawa karbonil dikatalisis oleh asam
maupun basa. Katalisis asam melibatkan protonasi dari atom oksigen karbonil
(basa Lewis), diikuti oleh lepasnya proton pada karbon alfa untuk menghasilkan
enol yang netral (Gambar 5.1.).
Gambar 5.1. Mekanisme pembentukan enol yang dikatalisis asam.
Pembentukan enol yang dikatalisis basa (Gambar 5.2.) terjadi melalui
reaksi asam-basa antara katalis dan senyawa karbonil. Senyawa karbonil berlaku
sebagai asam protik yang lemah dan memberikan salah satu atom hidrogen alfa
kepada basa. Ion enolat yang terbentuk kemudian akan terprotonasi untuk
menghasilkan senyawa netral. Jika protonasi ion enolat terjadi pada karbon alfa,
keto tautomer akan terbentuk, dan itu berarti tidak ada perubahan yang terjadi.
Jika protonasi terjadi pada atom oksigen karbonil, tautomer enol akan terbentuk.
Gambar 5.2. Pembentukan enol yang dikatalisis basa
5.2. Reaktivitas enol
Ikatan rangkap pada enol adalah kaya elektron, sehingga enol berlaku
sebagai nukleofil dan akan bereaksi dengan elektrofll dengan cara yang hampir
sama dengan alkena, tetapi enol lebih reaktif dibanding alkena karena adanya
donasi elektron dari electron pi oksigen. Jika alkena bereaksi dengan elektrofll
seperti Br2, adisi Br+ akan menghasilkan kation yang akan bereaksi dengan Br".
Jika enol bereaksi dengan elektrofll, kation intermediet akan kehilangan proton
hidroksil untuk menghasilkan senyawa karbonil kembali. Hasil netto dari reaksi
antara enol dengan elektrofil adalah substitusi alfa. Mekanisme reaksi ini secara
umum dapat dilihat pada Gambar 5.3.
Enolisasi yang dikatalisis asam
terjadi
Pasangan electron dari enol
Menyerang nukleofil, mengHasilkan ikatan baru dan
Meninggalkan intermediet yang
Bermuatan positif yang dapat
Distabilkan oleh dua bentuk
Resonansi.
Lepasnya proton dari oksigen
Menghasilkan produk substitusi
Alfa, dan electron ikatan O-H
Membentuk ikatan C=O baru
Gambar 5.3. Mekanisme umum reaksi substitusi alfa karbonil
5.3. Halogenasi alfa dari keton dan aldehida
Keton dan aldehida dapat dihalogenasi pada posisi alfanya bila
direaksikan dengan Cl2, Br2, atau I2 dalam kondisi asam.
Halogenasi alfa pada keton merupakan reaksi substitusi alfa yang khas
dan berlangsung melalui pembentukan intermediet enol yang dikatalisis asam,
seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5.4.
Gambar 5.4. Mekanisme halogenasi yang dikatalisis asam pada keton
5.4. Keasaman atom hidrogen alfa: pembentukan enolat
Oleh pengaruh gugus karbonil, atom hidrogen alfa bersifat asam dan
dapat diambil oleh basa kuat untuk menghasilkan anion enolat (Gambar 5.2.).
Keasaman hidrogen alfa tersebut dapat diterangkan sebagai berikut: Gugus
karbonil merupakan gugus penarik elektron yang kuat, dan bila senyawa karbonil
tersebut kehilangan proton alfa, anion yang dihasilkan distabiikan oleh
adanya resonansi. Jadi, muatan negatif dari anion adalah terdelokalisasi.
5.5. Reaktivitas enolat
Ion enolat jauh lebih berguna dibanding enol dengan dua alasan. Yang
pertama adalah enol murni secara normal tidak dapat diisolasi; mereka hanya
terbentuk sebagai intermediet yang singkat dalam konsentrasi yang kecil.
Sebaliknya, larutan yang mengandung ion enolat yang murni lebih mudah dibuat
dari kebanyakan senyawa karbonil apabila diberi perlakuan dengan basa kuat.
Lebih penting lagi, fakta menunjukkan bahwa ton enolat jauh lebih reaktif dari
pada enol adalah bahwa ion enolat dapat menjalani banyak reaksi-reaksi penting
dimana enol tidak dapat menjalaninya. Alasannya cukup sederhana, bahwa ion
enolat membawa penuh muatan negatif, yang membuatnya lebih nukleofilik
dibanding enol yang netral. Jadi, posisi alfa dari ion enolat sangat reaktif
terhadap elektrofil.
Ion enolat dapat dipandang sebagai alkoksida vinilik (C=C-O-) atau
sebagai karbanion α-keto (-C-C=O) dan dapat bereaksi dengan elektrofil baik
pada atom oksigen atau karbon. Reaksi pada oksigen akan menghasilkan enol
yang reaktif, sedangkan reaksi pada karbon akan menghasilkan senyawa
karbonil yang tersubstitusi-α. Beberapa contoh reaksi substitusi alfa karbonil
melalui intermediet enolat adalah:
−
Halogenasi enolat
−
Selenenilasi enolat
−
Alkilasi enolat
−
Sintesis ester malonat
−
Sintesis ester asetoasetat
5.6. Halogenisasi enolat: reaksi haloform
Halogenasi keton dipromosi oleh basa maupun asam. Reaksi yang
dipromosi basa terjadi melalui intermediet ion enolat. Bahkan basa yang relatif
lemah seperti ion hidroksida efektif untuk halogenasi. Produk keton yang
terhalogenasi-oc pada umumnya lebih asam dibanding ketonnya semula yang
tak tersubstitusi karena adanya efek induktif penarikan elektron dari atom
halogen. Jadi, produk monohalo itu sendiri akan berubah secara cepat menjadi
enolat dan terhalogenasi lebih lanjut.
Jika
digunakan
basa
dan
halogen
berlebih,
metil
keton
akan
terhalogenasi dan kemudian dipecah oleh basa dalam reaksi haloform.
Reaksi haloform mengubah metil keton menjadi asam karboksilat dan hqaloforml
(chloroform, CHCl3; bromoform, CHBr3 satau iodoform, CHI3).
5.7. Selenenilasi enolat: sintesis enon
Senyawa karbonil dapat diselenilasi. Larutan enolat litium murni dibuat
dari reaksi antara senyawa karbonil dan basa kuat seperti LDA dalam pelarut
THF. Satu ekivalen benzenselenenil bromida (C6H6SeBr) ditambahkan dan
reaksi segera menghasilkan produk tersubstitusi α-fenilseleno. Pada perlakuan
dengan hydrogen peroksida, eliminasi terjadi, dan senyawa α,β-unsaturated
karbonil terbentuk. Hasil nettonya adalah introduksi ikatan rangkap dua karbonkarbon pada posisi α,β dari senyawa karbonil yang jenuh.
Reaksi alfa fenilselenenilasi serupa dengan reaksi SN2. Basa LDA yang
kuat mengambil atom hidrogen alfa yang asam dari suatu senyawa karbonil
menghasilkan ion enolat. Ion enolat yang nukleofilik kemudian menyerang
selenium yang elektrofllik dan mendesak keluar bromida, menghasilkan produk
α-fenilseleno.
Tahap eliminasi melibatkan oksidasi intermediet fenilseleno menjadi fenil
selenoksida, yang mana mengalami reaksi eliminasi intramolekular yang spontan
menghasilkan suatu enon.
Keton, ester dan nitril semua mengalami alfa-fenilselenenilasi/reaksi
eliminasi dengan hasil yang bagus. Meskipun demikian, aldehida memberikan
produk campuran sebab enolatnya sangat reaktif.
5.8. AlkiIasi enolat
Salah satu reaksi yang paling penting dari enolat adalah alkilasi oleh
adanya perlakuan dengan alkil halida. Reaksi ini sangat berguna untuk tujuan
sintesis karena memungkinkan pembentukan ikatan karbon-karbon baru, yaitu
menggabungkan dua senyawa yang lebih kecil menjadi molekul yang lebih
besar. Alkilasi terjadi bila anion enolat yang nukleofilik bereaksi dengan alkil
halida yang elektrofilik dan memaksa keluar ‘leaving group’ melalui mekanisme
SN2. Reaksi dapat terjadi pada atom oksigen enolat atau karbon alfa, tetapi
secara normal terjadi pada atom karbon.
5.9. Sintesis ester malonat
Sintesis ester malonat merupakan salah satu reaksi alkilasi karbonil yang
terkenal dan tertua dan merupakan metoda yang bagus untuk membuat asam
asetat yang tersubstitusi α dari alkil halida.
Dietil malonat, dikenal dengan nama ester malonat, adalah lebih asam
dibanding kebanyakan senyawa karbonil lain, karena atom hidrogen alfa diapit
oleh dua gugus karbonil. Anion enolat dari ester malonat dapat terbentuk dari
reaksi antara natrium etoksida dalam etanol, dan anion ini akan mudah teralkilasi
oleh perlakuan dengan alkil halida menghasilkan ester malonat tersubstitusi α.
Produk alkilasi ini masih mempunyai satu atom hidrogen alfa yang asam, dan
proses alkilasi dapat terulang untuk menghasilkan ester malonat yang mengalami
dialkilasi.
Apa yang membuat reaksi ini sangat berguna adalah bahwa ester
malonat dapat dihidrolisis dan didekarboksilasi bila dipanaskan dengan larutan
asam dalam air. Produknya adalah asam monokarboksilat yang tersubstitusi.
Reaksi dekarboksilasi terjadi dalam dua tahap dan diawali dengan
hidrolisis yang dikatalisis asam dari diester tersebut menjadi dikarboksilat.
Senyawa dikarboksilat ini kemudian akan kehilangan karbon dioksida melalui
mekanisme siklik seperti yang terjadi pada dekarboksilasi asam β-keto.
Sintesis ester malonat merupakan metode yang bagus untuk mengubah
alkil halida menjadi asam karboksilat sambil memperpanjang rantai karbonnya
dengan dua atom.
5.10. Sintesis ester asetoasetat
Sintesis ester asetoasetat sangat erat hubungannya dengan sintesis ester
malonat dan merupakan metode untuk membuat turunan aseton yang
tersubstitusi a dari alkil halida.
Etil
asetoasetat
(ester
asetoasetat)
sebagaimana
ester
malonat
mempunyai atom hydrogen α yang diapit oleh dua gugus karbonil. Ester
asetoasetat diubah dengan cepat menjadi anion enolat oleh perlakuan dengan
natrium etoksida, dan enolat ini dapat dialkilasi oleh reaksi dengan alkil halida.
Alkilasi kedua dapat terjadi, bila diinginkan, karena ester asetoasetat mempunyai
dua proton alfa yang asam yang dapat ditukargantikan.
Oleh hidrolis asam dan pemanasan, ester asetoasetat yang teralkilasi
akan kehilangan karbon dioksida melalui intermediet asam β-keto, dan produk
aseton yang tersubstitusi α terbentuk.