Reaksi Substitusi dan Eliminasi Alkil Halida RIFKAROSITA PUTRI GINARIS., M.FARM Pada reaksi substitusi, atom elektronegatif atau gugus penarik elektron digantikan oleh gugus fungsi yang lain. Pada reaksi eliminasi, atom elektronegatif atau gugus penarik electron dihilangkan bersamaan dengan hydrogen dari karbon yang berdekatan. Substitusi Nukleofilik Ion hidroksida adalah nukleofil yang bereaksi dengan substrat (etil bromida) dan menggantikan ion bromide. Ion bromide dinamakan gugus pergi (leaving group). Dalam reaksi jenis ini, satu ikatan kovalen putus dan satu ikatan kovalen baru terbentuk Jika nukleofil dan substrat bersifat netral, produk akan bermuatan positif. Jika nukleofil berupa ion negative dan substratnya netral, maka produknya akan netral Mekanisme Substitusi Nukleofilik Terdapat 2 mekanisme utama nukleofilik yaitu SN2 dan SN1 - SN2 : Substitution Nucleophilic Bimolecular. Biomolekular berarti 2 molekul yaitu substrat dan nukleofilik yang terlibat dalam Langkah kunci (hanya satu langkah) dalam mekanisme reaksi ini. - SN1 : Substitution Nucleophilic Unimolecular. Langkah penentu lajunya yang lambat hanya melibatkan salah satu dari dua reaktan yaitu substrat. Tahap penentu laju ini tidak melibatkan nukleofil sama sekali. Substitusi Nukleofilik Bimolekular (SN2) Pada tahun 1937, Edward Hughes dan Christopher Ingold mengusulkan mekanisme untuk reaksi SN2. Mekanisme disusun berdasarkan 3 bukti, yaitu : 1. Laju reaksi substitusi tergantung pada konsentrasi alkil halide dan pada konsentrasi nukleofil, yaitu menunjukkan bahwa kedua reaktan terlibat dalam keadaan transisi dari Langkah penentuan laju. 2. Ketika gugus alkil menjadi lebih besar (misalnya, Ketika hydrogen bromometana berturut- turut diganti dengan gugus metil), laju reaksi substitusi dengan nukleofil menjadi berkurang. 3. Reaksi substitusi alkil halide di mana halogen terikat dengan atom C kiral, maka hasil reaksi hanya akan menghasilkan 1 stereoisomer yang konfigurasinya berbeda dengan substratnya. Mekanisme SN2 Reaksi terjadi jika pasangan elektron dari nukleofil menyerang gugus X untuk keluar dari ikatan. NU=C terbentuk bersamaan dengan C=X terputus. Ciri-ciri Reaksi SN2 • Laju reaksi tergantung pada konsentrasi nukleofil dan substrat • Setiap penggantian melalui SN2 selalu melibatkan inversi konfigurasi • Reaksi akan lebih cepat bila gugus alkil pada substrat berupa metil atau primer dan paling lambat bila tersier. Alkil halide sekunder bereaksi dengan laju pertengahan. Faktor- faktor yang mempengaruhi reaksi SN2 1. Gugus pergi 2. Nukleofil 3. Pelarut Pengaruh gugus pergi terhadap reaksi SN2 Jika alkil iodide, alkil bromide, alkil klorida dan alkil fluoride dengan gugus alkil yang sama bereaksi dengan nukleofil yang sama dalam kondisi yang sama, maka ditemukan bahwa alkil iodide adalah yang paling reaktif dan alkil fluoride yang paling tidak reaktif, Pengaruh nukleofil terhadap reaksi SN2 • Ketika kita berbicara tentang atom atau molekul yang memiliki electron pasangan bebas, kadang-kadang kita menyebutnya basa dan kadang-kadang kita menyebutnya nukleofil. Apa perbedaan antara basa dan nukleofil ? • Kebasaan adalah ukuran seberapa baik suatu senyawa (basa) membagi pasangan elektronnya dengan proton. Semakin kuat basa, semakin baik berbagi elektronnya. Kebasaan diukur dengan konstanta kesetimbangan (konstanta disosiasi asam, Ka) yang menunjukkan kecenderungan asam konjugat dari basa yang mengandung proton. • Nukleofilisitas adalah ukuran seberapa mudah suatu senyawa (nukleofil) mampu menyerang atom yang kekurangan elektron. Ini diukur dengan konstanta laju (k). • Dalam kasus reaksi SN2, nukleofilisitas adalah ukuran seberapa mudah nukleofil menyerang karbon sp3 yang terikat dengan gugus pergi, • Kecepatan laju reaksi SN2 tergantung pada kekuatan nukleofil : semakin baik nukleofil, semakin cepat laju reaksi SN2. • Molekul dengan muatan negative merupakan basa yang lebih kuat dan nukleofil yang lebih baik daripada molekul yang memiliki atom penyerang yang sama tetapi netral. • HO- adalah basa yang lebih kuat dan nukleofil yang lebih baik daripada H2O. • basa digambarkan kuat atau lemah, sedangkan nukleofil digambarkan baik atau buruk. Pengaruh pelarut terhadap reaksi SN2 • Jika reaksi dilakukan dalam pelarut polar aprotic artinya molekul pelarut polar tidak mempunyai ikatan hydrogen dengan oksigen atau nitrogen, maka hubungan antara kebasaan dan nukleofisitas tetap dipertahankan. Basa kuat masihh merupakan nukleofil yang baik, oleh karena itu ion iodide yang merupakan basa lemah merupakan nukleofil terburuk diantara ion halide dalam pelarut polar aprotic. • Namun, jika reaksi dilakukan dalam pelarut polar protik, artinya molekul pelarut polar memiliki hydrogen yang terikat pada oksigen atau nitrogen, hubungan antara kebasaan dan nukleofilisitas menjadi terbalik. Atom terbesar (yang paling terpolarisasi) adalah nukleofil terbaik meskipun merupakan basa terlemah. Oleh karena itu, ion iodide, basa terlemah adalah nukleofil terbaik dari ion halide dalam pelarut polar protik. Kesimpulan Reaksi SN2 • Substrat : Reaksi SN2 terbaik terjadi pada subtract metil atau primer • Nukleofik : nukleofilik bermuatan negative biasanya lebih reaktif daripada netral. Sehingga reaksi SN2 lebih sering dilakukan dalam kondisi basa • Gugus pergi : Gugus pergi yang bagus akan meningkatkan reaksi SN2 • Pelarut : pelarut protik (yang mengandung –OH atau NH yang memiliki kemampuan mendonorkan proton) tidak bagus untuk reaksi SN2. pelarut protik melarutkan nukleofil sehingga menurunkan kecepatan reaksi SN2. Pelarut polar aprotic (seperti aseton DMSO) akan meningkatkan kecepatan reaksi SN2. Substitusi Nukleofilik Unimolekular (SN1) • Reaksi mencapai hasil yang sama seperti reaksi SN2, yaitu penggantian gugus pergi oleh nukleofil, tetapi berbeda secara mekanisme. •Unimolekular pada SN1 karena data kinetic menunjukkan bahwa hanya satu spesies yang terlibat dalam Langkah penentuan kecepatan reaksi yaitu substrat. Mekanisme reaksi SN1 • Langkah pertama dari reaksi adalah hilangnya gugus pergi yang mengubah polarisasi awal (𝛿 + / 𝛿 -) dalam molekul menjadi bermuatan penuh. Untuk mencapai hal ini, diperlukan gugus pergi yang baik seperti pada reaksi SN2 dan struktur molekul substrat yang bisa membentuk karbokation yang stabil. • setelah karbokation reaktif terbentuk, karbokation tersebut dengan cepat diserang oleh nukleofil, sehingga menghasilkan produk akhir • Pada reaksi SN1, nukleofilisitas nekleofil relative tidak terlalu penting, nukleofil yang bermuatan atau netral akan dapat bereaksi cepat dengan karbokation. • Sehingga dapat dinyatakan bahwa nukleofil tidak berperan penting dalam mengendalikan laju reaksi secara keseluruhan Hal-hal yang mempengaruhi reaksi SN1 • Gugus Pergi • Substituen pada substrat Pengaruh Gugus Pergi terhadap Reaksi SN1 Karena Langkah penentuan laju reaksi SN1 adalah pembentukan karbokation, ada dua factor yang mempengaruhi laju reaksi yaitu : • Kemudahan gugus pergi untuk terdisosiasi berdisosiasi • Stabilitas karbokation yang terbentuk Seperti dalam reaksi SN2, ada hubungan langsung antara kebasaan dan kecenderungan gugus pergi untuk lepas dalam reaksi SN1 : semakin lemah basa, semakin tidak terikat pada karbon dan semakin mudah ikatan karbon-halogen dapat putus. Pengaruh Substituen terhadap reaksi SN1 • Mekanisme reaksi SN1 membutuhkan Langkah awal kehilangan gugus pergi, membentuk reaktif karbokation. • Laju relative untuk reaksi SN1 dari halide tercantum pada table berikut : Ciri-ciri Reaksi SN1 • Laju reaksi tidak bergantung pada konsentrasi nukleofil • jika karbon gugus pergi merupakan stereogenik, reaksi berlangsung utama dengan hilangnya aktivitas optis (artinya rasemisasi). • reaksi paling cepat bila gugus alkil pada substrat keadaannya tersier dan paling lambat bila primer Kesimpulan reaksi SN1 • Reaksi SN1 terbaik untuk substrat tersier, alilik dan halide benzilik • gugus pergi yang bagus akan meningkatkan reaksi SN1 •Nukleofil harus yang non basa untuk menghindari kompetisi dengan eliminasi tetapi tidak akan mempengaruhi kecepatan reaksi • Pelarut polar dapat menstabilkan intermediet karbokation sehingga meningkatkan reaksi Reaksi Persaingan SN2 dan SN1 Hukum laju reaksi memungkinkan kita untuk menentukan apakah reaksi SN2 atau reaksi SN1 yang lebih memungkinkan terjadi untuk alkil halida yang akan direaksikan : • Alkil halida primer dan metil halide tidak dapat membentuk karbokation karena karbokation primer dan kation metil terlalu tidak stabil untuk dibentuk. Oleh karena itu, satu-satunya reaksi substitusi yang dialami alkil halide primer dan metil halide adalah reaksi SN2. • Karbokation sekunder agak lebih stabil daripada karbokation primer tetapi tidak cukup lebih stabil untuk membuat konsentrasi nukleofil yang besar dalam reaksi solvolysis. Karena itu, satusatunya reaksi substitusi yang dialami alkil halide sekunder adalah reaksi SN2. • Rintangan sterik mencegah halide tersier dari mengalami reaksi SN2. Oleh karena itu, satusatunya reaksi substitusi yang dialami alkil halide tersier adalah reaksi SN1. Reaksi Eliminasi E1 dan E2 Eliminasi bimolecular (E2) • Singkatan E2 menunjukkan informasi tentang ‘eliminasi-bimolecular’ • Bimolekular maksudnya data kinetic menunjukkan bahwa dua molekul yaitu substrat dan nukleofil terlibat dalam Langkah penentu kecepatan reaksi. • Basa (nukleofil) akan mengikat proton dari karbon yang bersebelahan dengan karbon yang terikat dengan halogen. Setelah ikatan C-H putus, electron yang ditinggalkannya akan berpindah pada karbon yang terikat dengan halogen yang mengakibatkan halogen meninggalkan ikatan C-X dan C-C akan membentuk ikatan rangkap. • Elektrofil yang berikatan dengan nukleofil biasanya adalah hydrogen, sehingga kita dapat anggap nukleofil adalah basa. Kebasaan dan nukleofilisitas mempunyai hubungan yang erat. • Mekanisme reaksi E2 memberikan contoh bagaimana nukleofil memberi peran dalam mengarahkan terbentuknya produk reaksi yang berbeda. • Untuk dapar bereaksi secara mekanisme SN2, nukleofil harus mendekat pada bagian belakang dari gugus pergi dan kemudian menggantikan ikatan C-X dengan C-Nukleofil • Jika serangan nukleofil dari sisi belakang C-X dihalangi oleh gugus fungsi lain yang berdekatan, atau mungkin karena nukleofil agak besar, maka akan menyebabkan nukleofil memilih berperan sebagai basa yang akan berikatan dengan proton dari substrat, sehingga produk reaksi adalah eliminasi Reaksi E2 Reaksi E2 terjadi jika suatu alkil halide direaksikan dengan suatu basa kuat seperti ion hidroksida atau alkoksida (RO-) Reaksi Eliminasi Unimolekular (E1) • Singkatan E1 menyampaikan informasi ‘eliminasi- unimolecular’. Reaksi mencapai hasil yang sama dengan reaksi E2, tetapi secara mekanis berbeda karena melibatkan perantara karbokation. • Sama seperti mekanisme E2 yang memiliki mekanisme hamper sama dengan SN2, mekanisme E1 hamper mirip dengan reaksi SN1. Langkah awal adalah pembentukan perantara karbokation melalui kehilangan halogen. Reaksi E1 Reaksi Persaingan E2 dan E1 • Satu-satunya reaksi eliminasi yang dialami alkil halide primer dan sekunder adalah reaksi E2 karena karbokationnya relative tidak stabil • Alkil halide tersier akan bereaksi secara mekanisme reaksi E2 dan E1 Reaksi E2 lebih disukai jika menggunakan basa kuat dengan konsentrasi tinggi, reaction is favored by a high concentration of a strong base. Reaksi E1 lebih disukai jikan menggunakan basa lemah pada konsentrasi lemah Prediksi produk reaksi alkil halida Untuk memutuskan apakah suatu alkil halide mengalami reaksi SN2 dan E2 atau reaksi SN1 dan E1, pertama- tama kita harus melihat struktur alkil halida. • Alkil halida primer dan sekunder akan bereaksi melalui mekanisme SN2 dan E2 • Alkil halide tersier akan bereaksi melalui mekanisme E2 atau SN1 dan E1 • Jadi, hanya jika alkil halide saja, maka p dilihat dulu nukleofil/ basanya sehingga dapat diprediksikan mekanisme reaksi yang akan terjadi Jika nukleofil baik/ basa kuat, alkil tersier akan bereaksi melalui mekanisme reaksi E2 Jika pelarut basa lemah adalah satu-satunya nukleofil/ basa yang digunakan, alkil halide tersier akan mengalami reaksi SN1 dan E1 Persaingan SN2 dan E2 • Reaksi berikut menunjukkan bahwa ion hidroksida dapat bertindak sebagai nukleofil dan menyerang sisi belakang karbon 𝛼 dari alkil halida primer untuk membentuk produk substitusi, atau dapat bertindak sebagai basa dan menghilangkan hydrogen dari karbon 𝛽 untuk membentuk produk eliminasi. Reaksi Persaingan SN1 dan E1 • Kedua reaksi SN1 dan E1 terjadi ketik alkil halide tersier beraksi dengan nukleofil/ basa lemah • Dalam reaksi SN1 / E1, alkil halide berdisosiasi membentuk karbokation, yang kemudian dapat bereaksi dengan nukleofil untuk membentuk produk substitusi atau kehilangan proton untuk membentuk produk eliminasi
