REAKSI SUBSTITUSI

1. Nukleofilisitas/Kenukleofilan

Nukleofilisitas adalah ukuran kemampuan suatu pereaksi yang

menyebabkan terjadinya suatu reaksi subtitusi. Bila suatu reaksi

substitusi melibatkan nukleofil, maka reaksi tersebut disebut

substitusi nukleofilik (SN), dimana S menyatakan substitusi dan N

menyatakan nukleofilik. Substitusi nukleofilik adalah suatu kelompok

dasar reaksi substitusi, dimana sebuah nukleofil yang "kaya"

elektron, secara selektif berikatan dengan atau menyerang muatan

positif dari sebuah gugus kimia atau atom yang disebut gugus

lepas (leaving group). Nukleofilisitas relative ditentukan oleh laju

relatif reaksi pereaksi dalam reaksi substitusi.

H2O ROH Cl- Br- OH- OR- I- CN-

Naiknya nukleofilisitas

Umumnya suatu basa yang lebih kuat juga nukleofil yang lebih baik

daripada basa lemah. Misalnya OH- (basa kuat) adalah nukleofil yang

lebih baik daripada Cl- atau H2O (basa lemah).

2. Tahapan Reaksi Substitusi Nukleofilik Unimolekuler, SN1

Reaksi SN1 antara molekul A dan nukleofil B memiliki tiga tahapan:

1. Pembentukan sebuah karbokation dari A dengan

pemisahan gugus lepas dari karbon; tahap ini berjalan dengan

lambat dan reversibel. Contoh :

2. Serangan nukleofilik: B bereaksi dengan A. Jika nukleofil tersebut

adalah molekul netral (contoh: pelarut), tahap ketiga diperlukan

agar reaksi ini selesai. Jika pelarutnya adalah air, maka zat

antaranya adalah ion oksonium. Contoh :

3. Deprotonasi: Penyingkiran proton pada nukleofil yang

terprotonasi oleh ion ataupun molekul di sekitar. Contoh :

3. Diagram Perubahan Energi Reaksi SN1

Dalam SN1 ada hilangnya gugus pergi menghasilkan karbokation

perantara yang kemudian mengalami reaksi cepat dengan nukleofil.

4. Meanisme Reaksi Substitusi Nukleofilik Unimolekuler, SN1

Mekanisme SN1 adalah proses dua tahap. pada tahap pertama, ikatan

antara karbon dan gugusbebas putus, atau substrat terurai. Electron-electron

ikatan terlepas bersama dengan gugus bebas, dan terbentuklah ion

karbonium. pada tahap kedua, yaitu tahap cepat, ion karbonium bergabung

dengan nukleofil membentuk hasil. Pada mekanisme SN1 substitusi terjadi

dua tahap. Lambang 1 digunakan sebab pada tahap lambat hanya satu dari

dua pereaksi yang terlibat, yaitu substrat. tahap ini tidak melibatkan nukleofil

sama sekali. dikatakan, bahwa tahap pertama bersifat unimolekuler.

Mekanisme reaksi SN1 hanya terjadi pada alkil halida tersier.

Nukleofil yang dapat menyerang adalah nukleofil basa sangat lemah

seperti H2O, CH3CH2OH.

5. Tahapan Reaksi Substitusi Nukleofilik Bimolekuler, SN2

Reaksi SN2 adalah proses satu tahap yang dapat digambarkan

sebagai berikut:

Nukleofil menyerang dari belakang ikatan C—X. Pada keadaan

transisi, nukleofil dan gugus pergi berasosiasi dengan karbon di

mana substitusi akan terjadi. Pada saat gugus pergi terlepas dengan

membawa pasangan electron, nukleofil memberikan pasangan

elektronnya untuk dijadikan pasangan elektron dengan karbon.

Nukleofil menyerang dari belakang ikatan C- L. Pada satu keadaan

(keadaan peralihan) nukleofil dan gugus bebas keduanya berasosiasi dengan

karbon dimana substitusi terjadi. Pada saat gugus bebas membawa serta

elektronnya nukleofil memberikan pasangan elektron lain. Lambang 2

digunakan untuk mekanisme kerja ini sebab reaksi ini adalah

bimolekuler atau dua molekul, yaitu nukleofil dan substrat terlibat dalam 2

tahap kunci (memang hanya satu-satunya tahap) dalam mekanisme reaksi

Adapun ciri reaksi SN2 adalah:

1. Karena nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu

kecepatan reaksi, maka kecepatan reaki tergantung pada

konsentrasi kedua spesies tersebut.

2. Reaksi terjadi dengan pembalikan (inversi) konfigurasi. Misalnya

jika kita mereaksikan ®-2-bromobutana dengan natrium

hidrosida, akan diperoleh (S)-2-butanol.

   Ion hidroksida menyerang dari belakang ikatan C—Br. Pada saat

substitusi terjadi, ketiga gugus yang terikat pada karbon sp3 kiral

itu seolah-olah terdorong oleh suatu bidang datar sehingga

membalik. Karena dalam molekul ini OH mempunyai perioritas

yang sama dengan Br, tentu hasilnya adalah (S)-2-butanol. Jadi

reaksi SN2 memberikan hasil inversi.

3. Jika substrat R-L bereaksi melalui mekanisme SN2 reaksi terjadi

lebih cepat apabila R merupakan gugus metil atau primer, dan

lambat jika R adalah gugus tersier. Gugus  R sekunder mempunyai

kecepatan pertengahan. Alasan untuk urutan ini adalah adanya

efek rintangan sterik. Rintangan sterik gugus R meningkat dari

metil < primer < sekunder < tersier. Jadi kecendrungan reaksi

SN2 terjadi pada alkil halida adalah: metil > primer > sekunder

>> tersier.

6. Diagram Perubahan Energi Reaksi SN2

Laju reaksi kimia ditentukan oleh ∆G, yaitu perbedaan energy

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).

7. Mekanisme Reaksi Substitusi Nukleofilik Bimolekuler, SN2

nukleofil substrat keadaan transisi hasil substitusi gugus pergi

8. Peranan Gugus Tetangga Pada Mekanisme Reaski SN2

Pada reaksi substitusi nukleofilik, partisipasi gugus tetangga

didefinisikan sebagai gugus yang memberikan suatu reaksi

intermediate yang baru pada pusat reaksi. Untuk reaksi substitusi

seperti dibawah, X sebagai gugus tetangga berperan dalam

penyerangan nukleofilik intramolekul sehingga melepaskan Y

sebagai gugus pergi, yang kemudian diikuti oleh substitusi

intermolekul.

Hasil dari partisipasi ini ialah pembentukan produk substitusi

dengan konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi yang

seharusnya terjadi pada SN2, dimana reaksi SN2 pada umumnya

membentuk konfigurasi yang berlawanan dengan substrat. Dengan

adanya partisipasi gugus tetangga, konfigurasi produk sama dengan

substrat.

Partisipasi gugus tetangga ini juga dapat mempengaruhi

kecepatan reaksi. Jika suatu gugus tetangga mempengaruhi reaksi

melalui suatu jalan yang menyebabkan peningkatan kecepatan

reaksi, maka gugus tetangga tersebut dikatakan sebagai

“anchimeric assistance”. Peningkatan kecepatan reaksi dengan

adanya partisipasi gugus tetangga diketahui dengan

membandingkan laju reaksi suatu senyawa yang memiliki gugus

tetangga dengan reaksi yang sama pada senyawa analog yang tidak

memiliki gugus tetangga.

Makin bertambahnya gugus alkil (gugus tetangga) yang terikat

pada atom C pengikat gugus pergi, keadaan transisinya akan

semakin bertambah berjejal dengan atom, mengakibatkan semakin

besarnya tolak-menolak antar gugus dan meningkatkan energi

sistem. Jejalan ruang dalam sistem-sistem ini disebut rintangan

sterik. Dalam reaksi SN2 energi sistem dari keadaan transisi yang

memiliki atom atau gugus berjejalan lebih tinggi dari pada energi

keadaan transisi dengan jejalan atom rendah (halangan sterik

rendah). Hal inilah yang menyebabkan semakin turunnya laju reaksi

dalam urutan metil, halida primer, sekunder dan tersier.

9. Mekanisme Reaksi SNi

Reaksi SNi. Alkohol yang memiliki substituen aromatik bereaksi

dengan tionil klorida menghasilkan senyawa klorida yang sesuai

denga mempertahankan konfigurasi atom karbon yang tadinya

mengikat hidroksil., sebagai contoh

Peristiwa ini dilukiskan sebagai reaksi SNi (substitusi nukleofilik

internal). Reaksi ini terjadi melalui klorosulfit yang terurai

melepaskan sulfurdioksida menghasilkan

Pasangan ion dan kemudian membentuk kloridanya.

Perananan substituent aromatik di sini adalah kemungkinan untuk

menstabilkan bagian kationik pasangan ion melalui delokalisasi

muatan positif.

10. Teori Pasangan Ion pada Reaksi Substutitusi Nukleofilik

Pada tipe yang pertama, nukleofil, atom atau molekul yang

memiliki kelebihan elektron sehingga bermuatan negatif, akan

menggantikan atom lainnya atau bagian lainnya dari molekul

"substrat". Pasangan elektron nukleofil akan bersatu dengan

substrat membentuk ikatan baru, sedangkan gugus lepas akan lepas

bersamaan dengan sebuah pasangan elektron. Nukleofil sendiri

dapat bermuatan netral atau positif, sedangkan substrat biasanya

bermuatan positif atau netral. Contoh nukleofil adalah

ion hidroksida, alkoksida, amina, dan halida. Reaksi semacam ini

biasanya ditemukan pada hidrokarbon alifatik dan jarang ditemukan

pada hidrokarbon aromatik. Hidrokarbon aromatik memiliki rapatan

elektron yang tingi dan hanya bisa melangsungkan substitusi

aromatik nukleofilik hanya dengan gugus penarik elektron yang

sangat kuat. Substitusi nukleofilik dapat berlangsung melalui 2

mekanisme, Reaksi SN1 dan SN2. Menurut namanya, S singkatan dari

substitusi, N singkatan dai nukleofilik, dan, dan angka

menunjukkan ordo kinetik reaksi, unimolekuler atau bimolekuler.

Reaksi SN1 berlangsung dalam 2 tahap. Tahap pertama, gugus

lepas akan lepas dan membentuk karbokation. Tahap ini akan diikuti

reaksi yang sangat cepat dengan nukleofil. Dalam mekanisme SN2,

nukleofil akan membentuk tahap transisi dengan molekul yang lepas

saja yang terlekang. Kedua mekanisme ini berbeda pada

hasil stereokimianya. Reaksi SN1 menghasilkan adisi non-

stereospesifik dan tidak menghasilkan pusat chiral, melainkan dalam

bentuk isomer geometri (cis/trans). Kebalikannya, inversi Warden-

lah yang diamati pada mekanisme SN2.

11. Perbedaan Perubahan Stereokimia Substrat pada Reaksi SN1 dan

SN2

SN1 menghasilkan produk racemic (jumlah yang sama enantiomer

kiri dan kanan) yang akibatnya secara optik tidak aktif. Ini berarti

tidak akan memutar cahaya terpolarisasi.

Jika karbon pembawa gugus pergi merupakan stereogenik, reaksi

berlangsung terutama dengan hilangnya aktivitas optis (artinya

dengan rasemisasi). Pada karbokation hanya tiga gugus yang

melekat pada karbon yang bermuatan positif. Maka karbon positif

terhibridisasi sp2 dan berbentuk planar.

Contohnya (R)-3-bromo-3-metilheksana dengan air manghasilkan

alkohol rasemik.

Karbokation intermediet berbentuk planar dan akiral. Gabungan

dengan H2O dari “atas” atau “bawah” sama peluangnya, masing-

masing menghasilkan alcohol R dan S dalam jumlah yang sama.

Br | aseton CH3CH2 +

C berair C – CH3

CH3CH2

CH3CH2CH2 CH3 CH3CH2CH2

(R)-3-bromo-3-metilheksana karbokation intermediet

H2O -H+

CH3 OH

CH3CH2 C CH3CH2 C | CH3

CH3CH2CH2 OH CH3CH2CH2

50%S 50%R(produk dan serangan (produk dan serangan

Pada bagian bawah karbokation) pada bagian atas karbokation)

SN2 menghasilkan produk dengan struktur stereo terbalik dengan

substrat. Pada dasarnya nukleofil menempel ke sisi berlawanan dari

gugus pergi, pembalik stereokimia asli molekul.

Pada SN2, Setiap penggantian melalui SN2 selalu mengakibatkan

inversi konfigurasi.

Contohnya (R)-2-bromobutana direaksikan dengan natrium

hidroksida, yang akan menghasilkan (S)-2-butanol.

CH3 CH3

HO- + C – Br HO – C + Br -

H H CH2CH3 CH2CH3

(R)-2-bromobutana (S)-2-butanol.

12. Menjelaskan elektrofilisitas/keelektrofilan

Elektrofilisitas adalah kekuatan relative elektrofil. Elektrofilisitas

dari suatu kation, tergantung pada stabilitas muatan positif.

Elektrofil memiliki atom atau wilayah tertentu dari molekul yang

berelektron sedikit. Wilayah ini disebut pusat elektrofilik. Dalam

sebuah ion bermuatan positif, pusat elektrofilik adalah atom yang

menyandang muatan positif (misalnya sebuah atom karbon

karbokation). Di dalam sebuah molekul netral, pusat elektrofilik

merupakan atom yang berelktron tak mencukupi dalam suatu gugus

fungsional (misalnya karbon atau atom hidrogen yang terkait

dengan atom elektronegatif seperti oksigen atau nitrogen).

13. Tahapan Reaksi Substitusi Elektrofilik Unimolekuler, SE1

Reaksi SE1 yang berlangsung dengan mempertahankan

konfigurasi semula (retensi) dapat terjadi dengan dua cara:

1. Karbanion berstruktur datar dan tersolvasi secara tidak simetris

oleh elektrofil pada sisi yang sama dengan kedudukan gugus

pergi,

2. Karbanion berstruktur tetrahedral dan elektrofil terikat sebelum

karbanion berubah ke struktur enantiomernya.

Contoh reaksi SE1 yang berlangsung dengan mempertahankan

konfigurasi semula adalah:

C

n-C6H5H3C

C6H5SO2

D + OCH3 - (CH3)2SO

25 oCC6H5SO2

H3C

n-C6H5

CC6H5SO2

H3Cn-C6H5

C HHOCH3

enantiomer murniretensi 90 %

Reaksi SE1 yang menghasilkan produk dengan pembalikan

konfigurasi (inversi) terjadi pada sistem dengan karbanion

berstruktur datar dan tersolvasi secara tidak simetris sebagai zat

antara (intermediate). Anion ini tersolvasi pada sisi yang sama

dengan kedudukan gugus pergi oleh molekul yang terbentuk dari

gugus pergi dan elektrofil menyerang dari sisi yang berlawanan.

Contoh:

Reaksi antara anion 3-fenil-2,3-dimetil-2-pentanol dengan etilena

glikol.

HOCH2

C2H5H3C

210 oCCH3 C

C6H5

H3C

C2H5

C

CH3

O-

+ HOCH2CH2OH

(elektrofil)

CH2O-H C C CH3

O

C2H5 CH3

-

karbanion tersolvasi tak simetris sebagai zat antara

H - *C + C = O

CH3

CH3CH3

C6H5

C2H5

+ CH2OHCH2O-

14. Menggambarkan diagram perubahan energi reaksi SE1

15. Menuliskan mekanisme reaksi substitusi elektrofilik unimolekuler,

SE1

lambatTahap 1. R-X R- : + X+

cepatTahap 2. R- : + Y+ R – Y

Elektrofil

16. Menjelaskan tahapan reaksi substitusi elektrofilik bimolekuler, SE2

Mekanisme reksi substitusi elektrofilik bimolekuler pada senyawa

alifatik terjadi melalui pemutusan ikatan antara gugus pergi dengan

substrat dan pembentukan ikatan baru antara elektrofil dengan

substrat berlangsung dalam waktu yang bersamaan.

17. Menggambarkan diagram perubahan energi reaksi SE2

18. Menuliskan mekanisme reaksi substitusi elektrofilik bimolekuler, SE2

Reaksi E2 menggunakan basa kuat seperti -OH, -OR, dan juga

membutuhkan kalor. Dengan memanaskan alkil halida dalam KOH,

CH3CH2ONa.

19. Menjelaskan mekanisme reaksi SEi

Mekanisme reksi substitusi elektrofilik bimolekuler pada senyawa

alifatik terjadi melalui pemutusan ikatan antara gugus pergi dengan

substrat dan pembentukan ikatan baru antara elektrofil dengan

substrat berlangsung dalam waktu yang bersamaan.

Mekanisme reaksi SEi yaitu elektrofil menyerang substrat dari

arah depan dan salah satu bagian elektrofil membantu lepasnya

gugus pergi dan dalam waktu yang bersamaan terbentuk ikatan

baru dengan substrat.

+ X-ZYC

c

ba

C X

c

ba

Y Z

Mekanisme SEi menghasilkan produk dengan mempertahankan

konfigurasi semula (retensi).

20. Membedakan perubahan stereokimia substrat pada reaksi SE1 dan

SE2

SE1

Produk reaksi yang mengikuti mekanisme SE1 dapat menghasilkan

produk dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi), atau

rasemisasi, atau pembalikan konfigurasi (inversi) sebagian,

tergantung pada faktor-faktor kestabilan karbanion, konsentrasi

elektrofil, kekuatan elektrofil, dan konfigurasi karbanion.

SE2

Pada mekanisme SE2, ada dua kemungkinan arah serangan

elektrofil terhadap substrat, yaitu dari arah depan, yang disebut

dengan SE2 (depan) dan dari arah belakang, yang disebut dengan

SE2 (belakang)

Apabila reaksi terjadi pada substrat kiral maka akan terbentuk

hasil reaksi dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi)

pada mekanisme SE2 (depan), dan terjadi pembalikan konfigurasi

(inversi) pada mekanisme SE2 (belakang). Jika elektrofil menyerang

substrat dari arah depan ada kemungkinan mekanisme yang ketiga,

yaitu salah satu bagian elektrofil membantu lepasnya gugus pergi

dan dalam waktu yang bersamaan terbentuk ikatan baru dengan

substrat.