Reaksi Substitusi

Jenis - jenis reaksi

Jumlah dan cakupan reaksi organik sangat besar dan tampak membingungkan, tapi sebenarnya hampir semuanya dapat digolongkan ke dalam enam kategori. Di dalam contoh reaksi berikut, produk yang dapat segera terbentuk ikut diperlihatkan namun semua spesies diperlihatkan tanpa muatan. Hal ini dilakukan berdasarkan pemikiran bahwa reaktan-reaktan yang muatannya berbeda dapat mengalami perubahan yang analog.

1. Substitusi. Jika heterolitik, maka reaksi dapat digolongkan sebagai nukleofil atau elektrofil, tergantung pada reaktan mana yang ditandai sebagai substrat dan yang mana sebagai pereaksi penyerang. 

a.    Substitusi nukleofilik.

 

b.    Substitusi elektrofilik.

c.    Substitusi radikal bebas.

Di dalam substitusi radikal bebas, Y· biasanya dihasilkan secara insitu melalui pemecahan radikal bebas, dan X· akan bereaksi lebih lanjut.

2. Adisi ke dalam ikatan rangkap dua atau rangkap tiga. Reaksi ini dapat terjadi melalui semua dari tiga mekanisme yang mungkin.

a. Adisi elektrofilik (heterolitik).

b. Adisi nukleofilik

c. Adisi radikal bebas (homolitik)

d. Adisi secara serempak (perisiklik).

Contoh di atas memperlihatkan Y dan W datang dari molekul yang sama, tapi sangat sering (kecuali dalam adisi secara serempak) Y dan W datang dari molekul yang berbeda. Pada contoh di atas memperlihatkan pula pemutusan ikatan Y-W terjadi pada waktu yang sama dengan Y terikat ke B, tapi sering (kecuali dalam adisi secara serempak) pemutusan ikatan tersebut terjadi lebih awal. 

3.               β-eliminasi

Reaksi ini dapat terjadi melalui mekanisme heterosiklik dan perisiklik. β-eliminasi radikal bebas sangat jarang. Di dalam eliminasi siklik, W atau X memungkinkan pergi secara bersamaan atau mungkin juga tidak, dan memungkinkan pula untuk bergabung atau juga tidak.

4.               Penataan ulang. Banyak penataan ulang melibatkan perpindahan atom atau gugus dari satu atom ke atom yang lain. Ada tiga jenis, tergantung pada berapa banyak elektron yang di bawa oleh atom atau gugus yang berpindah.

a. Perpindahan dengan pasangan elektron (nukleofil).

b. Perpindahan dengan satu elektron (radikal bebas)

c. Perpindahan tanpa elektron (elektrofilik; jarang)

Penataan ulang yang diperlihatkan di atas hanya melibatkan penataan ulang-1,2 dalam nama gugus berpindah ke atom di dekatnya. Hal tersebut adalah yang paling umum, meskipun dimungkinkan pula penataan ulang jarak jauh. Ada pula sejumlah penataan ulang yang tidak melibatkan perpindahan yang sederhana, beberapa diantaranya melibatkan mekanisme perisiklik.

5.               Oksidasi dan reduksi. Banyak reaksi oksidasi dan reduksi yang tidak dapat dimasukkan ke dalam empat jenis penggolongan di atas. 

6.               Kombinasi dari penggolongan di atas.

Perlu dicatat bahwa anak panah digunakan untuk memperlihatkan perpindahan elektron. Satu anak panah selalu diikuti dengan gerakan elektron dan bukan inti atau sesuatu yang lain. Anak panah asli (berkepala rangkap) diikuti dengan pasangan elektron, dan anak panah berkepala tunggal (kepala kail) diikuti dengan elektron tak berpasangan.

Reaksi Substitusi

Reaksi substitusi adalah suatu reaksi penggantian gugus fungsional pada senyawa kimia tertentu dengan gugus fungsional yang lain. Dalam kimia organik, reaksi substitusi elektrofilik dan nukleofilik merupakan yang paling penting dan banyak digunakan. Reaksi substitusi organik dikategorikan menjadi beberapa tipe berdasarkan reagen yang berperan, apakah termasuk nukleofil atau elektrofil. Intermediet yang terlibat dalam reaksi substitusi dapat berupa karbokation, karbanion, atau radikal bebas. Reaksi substitusi terjadi apabila sebuah atom atau gugus yang berasal dari pereaksi menggantikan sebuah atom atau gugus dari molekul yang bereaksi. Reaksi substitusi dapat terjadi pada atom karbon jenuh atau tak jenuh.

Mekanisme S_N2 dan S_N1

Di dalam substitusi nukleofilik, pereaksi penyerang (nukleofil) membawa sepasang elektron kepada substrak, menggunakan pasangan elektron tersebut untuk membentuk ikatan baru, dan gugus-pergi (nucleofuge) pergi menjauh dengan membawa satu pasangan elektron.

Persamaan ini tanpa pemperlihatkan muatan. Y dapat saja netral atau bermuatan negatif dan RX juga dapat netral atau bermuatan positif. Dalam semua hal, Y harus mempunyai pasangan elektron bebas (elektron bukan ikatan), jadi semua nukleofil adalah basa Lewis. Jika Y adalah pelarut maka reaksi disebut solvolisis. Substitusi nukleofil pada suatu karbon alkil disebut alkilasi nukleofilik. Sebagai contoh adalah pada reaksi tipe II di atas di mana RI mengalkilasi NMe₃, maka reaksinya disebut alkilasi trimetilamina. Hal yang serupa, substitusi pada karbon asil adalah asilasi nukleofilik.

Ada beberapa mekanisme berbeda yang mungkin untuk reaksi substitusi nukleofilik alifatik, tergantung pada substrat, nukleofil, gugus-pergi, dan kondidsi reaksi. Di dalam semua mekanisme tersebut, pereaksi penyerang membawa pasangan elektron kepada substrat sehingga kemiripan mekanisme-mekanisme tersebut lebih besar daripada perbedaannya.

Mekanisme S_N2

S_N2 adalah simbol yang diberikan untuk substitusi nuklefilik bimolekul. Di dalam mekanisme ini terdapat serangan pada sisi belakang, nukleofil mendekati substrat dari posisi 180° menjauh dari gugus-pergi. Reaksi tersebut adalah proses satulangkah tanpa spesies-antara, ikatan C-Y terbentuk bersamaan dengan putusnya ikatan C-X.

Energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan C-X disuplai oleh energi pembentukan ikatan C-Y yang terjadi secara bersamaan dengannya. Posisi atomatom pada puncak energi aktivasi dapat dinyatakan seperti struktur . Tentu saja reaksi tidak berhenti di sini (keadaan transisi). Gugus X harus pergi bersamaan dengan datangnya Y sebab kulit valensi atom karbon tidak mampu menanpung lebih dari delapan elektron. Pada saat keadaan transisi tercapai, atom karbon pusat segera berubah dari hibrida sp³ menjadi hibrida sp² dengan orbital p yang tegak lurus pada bidang datar. Satu cuping (lobe) orbital p overlap dengan orbital nukelofil dan cuping yang lain overlap dengan orbital gugus-pergi. Inilah sebabnya sehingga di dalam mekanisme S_N2 tidak pernah ditemukan serangan nukleofil dari sisi depan (sisi di mana gugus-pergi akan pergi). Di dalam struktur hipotetik keadaan transisi serangan dari sisi depan, kedua nukleofil dan gugus-pergi overlap dengan cuping orbital p yang sama. Sementara di dalam peristiwa tersebut, nukleofil akan memaksimalkan overlap (alias pengisian orbital) dan gugus-pergi akan melakukan pengahapusan overlap (alias pengosongan orbital). Dengan kata lain, terjadi pengisian dan pengosongan pada orbital sama dan waktu yang sama pula. Hal ini seperti ini tidak mungkin terjadi. Selama keadaan transisi, ketiga gugus yang tidak bereaksi akan sebidang dengan atom karbon pusat. Keempatnya benar-benar akan sebidang jika gugus yang masuk sama dengan gugus yang keluar.

Bukti jenis lain untuk mekanisme S_N2 datang dari senyawa yang potensi gugus-pergi ada pada karbon ujung jembatan. Jika mekanisme S_N2 adalah benar, maka senyawa-senyawa seperti itu tidak akan mampu bereaksi melalui mekanisme ini karena nukleofil tidak mampu mendekati dari arah belakang. Di antara bukti-bukti yang telah diketahui, dua contoh kegagalan reaksi S_N2 pada karbon jembatan adalah pengolahan sistem [2,2,2] (senyawa 2) dengan ion etoksida, dan pengolahan sistem [3,3,1] (senyawa 3) dengan natrium iodida dalam aseton. Kedua senyawa tersebut justru mengarah pada reaksi pembukaan cincin.

 Mekanisme S_N1

Versi mekanisme S_N1 (substitusi nukleofilik unimolekul) yang paling ideal adalah terdiri atas dua tahap seperti berikut.

Perlu diingatkan kembali bahwa nukleofil di sini dapat bermuatan atau tidak sehingga muatan padanya tidak dituliskan. Tahap pertama reaksi S_N1 adalah langkah lambat ionisasi substrat, dan langkah ini sebagai langkah penentu kecepatan reaksi. Langkah kedua adalah reaksi cepat antara zat-antara dengan nukleofil.

Proses ionisasi selalu dibantu oleh pelarut karena kebutuhan energi untuk memutuskan ikatan sebagian besar dipenuhi oleh solvasi R⁺ dan X. sebagai contoh, ionisasi t-BuCl menjadi t-Bu⁺ dan Cl^- di dalam fase gas tanpa pelarut memerlukan 150 kkal/mol. Di dalam sistem tanpa pelarut, proses sederhana ini tidak akan terjadi, kecuali suhu ditinggikan. Di dalam air, ionisasi ini hanya memrlukan 20 kkal/mol. Selisihnya adalah energi pelarut. Di dalam hal ini, pelarut mempunyai peranan membantu perginya gugus-pergi dari sisi depan.

 Pasangan ion dalam mekanisme S_N1

Sama dengan fakta kinetik, fakta stereokimia untuk mekanisme S_N1 kurang jelas batasnya daripada fakta sterekimia mekanisme S_N2. Jika ada karbokation maka karbokation tersebut adalah planar, dan nukleofil seharusnya mempunyai peluang yang sama untuk menyerang dari masing-masing sisi, hasilnya adalah raesemik sempurna. Meskpiun banyak substitusi order satu menghasilkan rasemisasi sempurna, namun banyak juga yang tidak begitu. Secara keseluruhan adalah sekitar 5 sampai 20% inversi, meskipun dalam beberapa kasus, sejumlah kecil penahanan konfigurasi telah ditemukan. Fakta-fakta ini mengarahkan kepada kesimpulan bahwa di dalam kebanyakan reaksi S_N1, beberapa produk terbentuk bukan dari karbokation bebas melainkan dari pasangan-pasangan ion. Menurut konsep ini, reaksi S_N1 berlangsung dalam cara:

                 

Dalam hal ini, spesies 5 adalah pasangan ion yang rapat, 6 adalah pasangan ion yang terpisah atau tersekat oleh pelarut, dan 7 adalah pasangan ion yang tarurai (masing-masing ion dikerumuni oleh molekul-molekul pelarut). Di dalam spesies 5 dan 6, X^- disebut counterion atau gegenion. Produk reaksi dapat dihasilkan dari serangan nukleofil dalam tahap yang mana saja. Serangan nukleofil pada spesies 5 akan menghasilkan produk inversi karena nukleofil tidak dapat menyerang dari sisi di mana X^- berada.

 Mekanisme campuran S_N1 dan S_N2

Beberapa reaksi substrat di bawa suatu kondisi yang diberikan memperlihatkan seluruhnya adalah karakteristik mekanisme reaksi S_N2 dan rekasi yang lain berjalan melalui mekanisme S_N1, tetapi ada beberapa hal yang ditemukan di mana reaksi tidak dapat dikarakterisasi dengan mudah. Reaksi-reaksi tampak ada dalam daerah perbatasan antara S_N1 dan S_N2. Untuk fenomena seperti itu, ada dua teori yang digunakan untuk menjelaskannya. Satu teori yang mempercayai bahwa prilakuantara tersebut disebabkan oleh bukan mekanisme S_N1 murni ataupun S_N2 murni. Teori yang kedua menjelaskan bahwa terjadinya fenomena tersebut karena mekanisme S_N1 dan S_N2 bekerja secara bersamaan, sebagian molekul bereaksi melalui mekanisme S_N1 dan sebagian lagi bereaksi melalui mekanisme S_N2.

Menurut teori mekanisme-antara, mekanisme S_N1 dan S_N2 semuanya dapat ditampung dengan satu mekanisme dasar (mekanisme pasangan-ion). Mula-mula substrat menion menjadi pasangan ion-antara yang kemudian berubah menjadi produk.

Jika tahap penentu kecepatan reaksi adalah langkah pembentukan pasangan ion (k₁) maka mekanisme adalah S_N1, sedangkan jika tahap penentu kecepatan reaksi adalah tahap konversi pasangan-ion menjadi produk maka mekanisme adalah S_N2.

Salah satu contoh reaksi di mana S_N1 dan S_N2 terjadi secara bersamaan adalah prilaku 4-metilbenzil klorida di dalam pelarut aseton 70% (mengandung air).

Di dalam pelarut ini, hidrolisis (konversi menjadi 4-metilbenzil alkohol) terjadi melalui mekanisme S_N1. Ketika ion azida ditambahkan, alkohol masih tetap dihasilkan namun 4-metilbenzil azida juga dihasilkan. Penambahan ion azida menigkatkan kecepatan ionisasi (efek garam) namun menurunkan kecepatan hidrolisis. Jika lebih banyak karkation yang terbentuk namun hanya sedikit yang berubah menjadi alkohol maka beberapa prodik azida terbentuk melalui reaksi dengan karbokation (S_N1). Akan tetapi, kecepatan ionisasi selalu lebih lambat daripada kecepatan reaksi keseluruhan maka sebagian azida juga terbentuk melalui reaksi S_N2. Jadi kesimpulannya adalah mekanisme S_N1 dan S_N2 bekerja secara bersamaan.

Beberapa fakta reaksi substitusi nukleofilik lain yang tampaknya melibatkan pula mekanisme-antara namun sebenarnya adalah mekanisme S_N1 dan S_N2 bekerja secara bersamaan. Sebagai contoh adalah reaksi 2-oktil brosilat aktif optis dalam dioksan 75% (berair) menghasilkan 2-oktanol murni aktif optis 77% terinversi. Ketika ditambahkan natrium azida maka diperoleh 2-oktil azida bersama 2-oktanol, tapi 2-oktanolnya100% terinversi. Hasil ini memperlihatkan bahwa 2-oktanol diperoleh melalui dua proses, yaitu reaksi S_N2 yang mengarah pada produk terinversi, dan proses yang melibatkan karbokation-antara mengarah pada rasemisasi atau retensi. Ketika ditambahkan ion azida maka ion-ion azida tersebut mencari karbokation-antara sehingga keseluruhan proses kedua berjalan menghasilkan azida, sedangkan reaksi S_N2 yang tidak terpengaruh oleh penambahan ion azida masih tetap berjalan menghasilkan 2-oktanol terinversi.

Solvolisis 2-oktil brosilat dalam metanol murni dan solvolisis 2-oktil metanasulfonat dalam air murni tanpa ion azida masing-masing menghasilkan metil 2-oktil eter dan 2-oktanol dengan 100% konfigurasi inversi. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme reaksi dalam pelarut ini adalah murni S_N2. Oleh karena metanol dan air adalah pelarut yang lebih polar daripada dioksan 75% (berair), dan oleh karena peningkatan kepolaran pelarut akan meningkatkan kecepatan S_N1, maka tentunya sangat tidak disukai proses S_N1 dapat terjadi di dalam pelarut dioksan 75% (berair). Berdasarkan fakta tersebut maka diusulkan bahwa spesies-antara dalam proses kedua bukanlah suatu karbokation melainkan adalah ion oksomium yang terbentuk melalui serangan S_N2 oleh dioksan. Ion ini bukanlah suatu produk yang stabil tapi bereaksi dengan air melalui mekanisme S_N2 lain menghasilkan 2-oktanol dengan konfigurasi yang dipertahankan. Proses keseluruhan dapat diperlihatkan sebagai berikut:

Beradasarkan reaksi di atas maka jelaslah bahwa bagian hasl reaksi yang mempertahankan konfigurasi bukan terjadi dari prilaku-antara S_N2 dan S_N1 tapi melalui dua reaksi S_N2 yang terjadi secara berurutan.

Mekanisme S_Ni

Di dalam sebagian kecil reaksi, substitusi nukleofilik berlangsung dengan mempertahankan konfigurasi, bahkan tidak memungkinkan adanya efek gugustetangga. Di dalam mekanisme S_Ni (substitusi nukleofilik internal), bagian guguspergi harus mampu menyerang substrat dari arah di mana tersebut pergi. Reaksi antara tionil klorida dengan alkohol menghasilkan alkil klorida adalah contoh dari reaksi jenis ini. Tahap pertama reaksi ini adalah pembentukan klorosulfit yang kemudian mengalami transformasi menjadi alkil klorida melalui tahap ionisasi yang sangat mirip dengan tahap pertama S_N1, tapi tahap selanjutnya adalah serangan bagian gugus-pergi dari arah depan. Hasilnya adalah pertahanan konfigurasi.

Mekanisme tahap 3 diperkirakan adalah suatu proses intramolekul yang melibatkan keadaan transisi siklik 34.

Di dalam mekanisme ini, pembentukan ikatan C-Cl harus disinkronkan dengan pemutusan ikatan C-O. Serangan Cl^- terjadi dari depan sehingga memberikan kenampakan stereokimia yang sama dengan dalam ion klorosulfit (proses stereospesifik).

Daftar Pustaka

Allinger, N. L., Cava, M. P., Jongh, D. C. D., Johnson, C. R., Lebel, N. A., dan Steven, C. L., 1976, Organic Chemistry, 2^nd Edition, Worth Publishers, Inc., New York.

Bansal, R. K, 1980, Organic Reaction Mechanisms, McRaw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi.

Pertanyaan

1.   Buat catatan singkat yang merupakan ciri tentang reaksi-reaksi S_N1, S_N2, dan S_Ni.

2.   Beri alasan bahwa penggantian Br oleh OH dalam reaksi berikut bukanlah melalui mekanisme S_N2 maupun S_N1. Apa sebabnya dan bagaimana mekanisme terjadinya.

 3. dari tahap - tahap berikut, mengapa serangan z lebih cepat daripada serangan y