Heteros i Klik

KIMIA HETEROSIKLIK

SENYAWA HETEROSIKLIS :

Senyawa organik yang di dalam lingkar siklisnya terdapat atom-atom selain atom karbon.

Misalnya : atom N, O, S

Berdasarkan bentuk lingkar siklisnya senyawa heterosiklik digolongkan menjadi :

Senyawa Heterosiklis Lingkar Tiga

Senyawa Heterosiklis Lingkar Empat

Bahan Ajar Heterosiklik-1

• Jenuh :

O

OXIRANE TIIRANE

S N

HAZIRIDINE

• Tak Jenuh :

OXIRENE

O S

TIIRENE 1-AZIRINE

N

2-AZIRINEH

N

• Jenuh :

O

oxetane thietane

S

azetidine

NH

• Tak Jenuh :

N

1-azetine

S

thieteneoxetene

OH

N

2-azetine

Senyawa Heterosiklis Lingkar Lima

Senyawa Heterosiklis Lingkar Enam

Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai 2 atom lain selain atom karbon dalam

lingkar siklisnya.


• Jenuh :

Stetrahidrotiofen

O

Pirolidine

tetra hidrofuranH

N

• Tak Jenuh :

N

HPirol

Furan

O

Tiofen

S S2-hidrotiofen

3-tiolen

O2-hidrofuran

3-furolene3-pirroline

H

N N2-hidropirol

• Jenuh :

O

N

SH

oxosikloheksana piperidine tiosikloheksana

• Tak Jenuh :

tiosikloheksadienapiridinegamma-piranSNO

N

ON

S N

N

oxazole tiazole pirazoleimidazole

N

N

H

Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai lingkar siklis lebih dari satu

Disamping cara penggolongan di atas, senyawa heterosiklis dapat pula digolongkan

menjadi :

A. Senyawa heterosiklis non aromatik

B. Senyawa heterosiklis aromatik

A. Senyawa heterosiklis non aromatik

Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon,

namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa rantai terbuka (alifatik)

Contohnya :


O

N

N

NN

N

NN

morpholine pirimidine pirazine piridazine

N

NN

NN

indole purine

N

N

N

quinoline karbazole isoquinoline

O

C

C

O

O

anhidrida asam suksinat

O

O

C

C

NH

phtal-imida

O

O

C

C

NH

suksin-imida

O

O

dioxan

B. Senyawa heterosiklis aromatik

Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon,

namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa aromatik lainnya.

Agar suatu sistem cincin bersifat aromatik, terdapat tiga kriteria yang harus dipenuhi :

1. Sistem cincin mengandung elektron p (pi) yang terdelokalisasi (terkonyugasi).

2. Sistem cincin harus datar (planar), berhibridisasi sp2.

3. Harus terdapat (4n + 2) elektron p dalam sistem cincin (aturan Huckel).

Contohnya :

Tata Nama Senyawa Heterosiklik Aromatik

Sistem cincin senyawa aromatik heterosiklik juga mempunyai tata nama tersendiri.

Berbeda dengan senyawa lainnya, penomoran pada cincin heterosiklik ditetapkan

berdasarkan perjanjian dan tidak berubah bagaimanapun posisi substituennya. Penomoran

beberapa senyawa heterosiklik adalah sbb :


CH C

OO

R

gamma-lakton asetal lingkar

O

C

O

R

R

O

turunan epoksida

N

HPirol

Furan

O

Tiofen

S

pirazineN

N

N

piridine

Piridin

N1

2

3

4

5

6 5

4 3

2

1S

Tiazol

N

N

N

H

Imidazol

1

2

34

5

N

Kuinolin

1

2

3

45

6

78

Isokuinolin

N1

2

3

45

6

7

8

Piridin

N1

2

3

4

5

6 5

4 3

2

1S

Tiazol

N

N

N

H

Imidazol

1

2

34

5

N

Kuinolin

1

2

3

45

6

78

Isokuinolin

N1

2

3

45

6

7

8

Isokuinolin

N1

2

3

45

6

7

8

N

Kuinolin

1

2

3

45

6

78

Bila suatu senyawa heterosiklik, hanya mengandung satu heteroatom, maka huruf Yunani

dapat juga digunakan untuk menandai posisi cincin

Struktur Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Agar suatu heterosiklik dengan cincin lima anggota bersifat aromatik, heteroatom

itu harus memiliki dua elektron untuk disumbangkan ke awan pi aromatik. Pirol, furan dan

tiofen semuanya memenuhi persyaratan ini, sehingga dapat bersifat aromatik.

Penjelasan Struktur berdasarkan Teori Ikatan Valensi

A. Senyawa Pirol


N

HPirol

NPiridin

N

HPirol

N

HPirol

NPiridin

NPiridin

PirolH

N O

Furan

S

Tiofen

PirolH

N O

Furan

S

Tiofen

Konfigurasi elektron

keadaan dasar :

6C : 1s2 2s2 2p2

1 1 1 11 1 11 1111

keadaan tereksitasi :

1s2 2s1 2p3

11 1 1 1 1

sp2

N

H

H

HH

H

++

++

+

_

_

_

_

_

dua elektron pi

dari nitrogen

satu elektron pi

dari karbon

B. Senyawa Furan

C. Senyawa Tiofen



keadaan dasar :

7N : 1s2 2s2 2p3

1 1 1 11 1 11 1111


1s2 2s1 2p4

11 1 1 1 1

sp3

1 1

H

H

H

H

++

++

+

_

_

_

_

_

dua elektron pi

dari oksigen

satu elektron pi

dari karbon

O

dua elektron mandiri

dari oksigen


keadaan dasar :

8O : 1s2 2s2 2p4

1 1 1 11 1 11 1111


1s2 2s1 2p5

11 1 1 1 1

sp3

1 11 11

H

H

H

H

++

++

+

_

_

_

_

_

dua elektron pi

dari sulfur

satu elektron pi

dari karbon

S

dua elektron mandiri

dari sulfur

Struktur Hibrid Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Makin besar jarak pemisahan muatan positif dengan negatif pada struktur hibrid

menyebabkan keadaan semakin kurang stabil. Kerapatan elektron pada atom C nomor 2

dan nomor 5 lebih besar dari kerapatan elektron pada atom C nomor 3 dan 4.

Kemungkinan terjadinya substitusi elektrofilik yang paling besar berada pada atom C

nomor 2 dan 5.

Sifat Karakteristik Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

A. Senyawa Pirol

Karena atom nitrogen dalam pirol menyumbangkan dua elektron ke awan pi aromatik,

maka atom nitrogen bersifat tuna elektron.


N

H H

N

H

N

H

N

H

N

_ _

__

Pirol

+ +

++

N

H H

N

H

N

H

N

H

N

_ _

__

Pirol

+ +

++

Furan

O O O

OO

_ _

__

+ +

++

Furan

O O O

OO

_ _

__

+ +

++

Tiofen

S S S

SS

_ _

__

+ +

++

Tiofen

S S S

SS

_ _

__

+ +

++

N

HPirol

Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)

Tidak seperti piridin dan amina, pirol (pKb = ~14) tidak bersifat basa.

B. Senyawa Furan

Karena atom oksigen dalam furan menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke

awan pi aromatik, maka atom oksigen bersifat tuna elektron.


Berbeda dengan pirol, puran menunjukkan sifat basa yang amat lemah.

C. Senyawa Tiofen


H

N+

H

N+

N

HPirol

+ H+ tidak ada kation stabil

O

O+

O+

Karena atom sulfur dalam tiofen menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke

awan pi aromatik, maka atom sulfur bersifat tuna elektron.


Berbeda dengan pirol, tiofen juga menunjukkan sifat basa yang amat lemah.

Reaksi-reaksi pada Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Reaksi-reaksi pada pirol

Walaupun mempunyai sepasang elektron bebas, tetapi karena adanya delokalisasi elektron

dalam cincin aromatis, maka pirol tidak dapat bersifat basa, malahan bersifat asam yang

sangat lemah, sehingga dapat bereaksi dengan NaNH2 ataupun KOH

Dapat pula bereaksi dengan reagen grignard dengan membebaskan alkana.


S

S

+S

+

N

H

KOH

N

K

_

+

+ H2O

+

CH3I N

CH3

• Mengalami reaksi substitusi elektrofilik

1. Nitrasi

2. Sulfonasi

3. Reaksi coupling diazo

4. Pembentukan 2-pirol karbokaldehida


H

N

+ CH3MgBr

N

MgBr+

_+ CH4

NN

H

CCH3ONO2

O

OCH3 C

O

CCH3O

5oCH

NO2

+O

CH3 C

OH

SO3

HH

N N

N SO3

90o

sulfopiridin

asam-2-pirolsulfonat

2-piroldiazonium klorida

NN

H H

+ N NO2N+

Cl_

N NO2N + HCl

5. Asilasi Friedel-Craft

• Mengalami reaksi halogenasi (brominasi)

• Mengalami reaksi reduksi

• Sifat kearomatikan dari pada pirol dapat dihilangkan dengan mereduksinya dengan

hidrogen, pada temperatur tinggi.

Reaksi-reaksi Furan


CH

HH

N N

1. HCN, HCl

2. H2O

NH

H

N CO

H

2-pirol karbokaldehida

C

CH3

O

H

O

CH3 C

O

CCH3

O

H

N NAlCl3 , 250oC

OCH3 C

OH

+

NN

H H

Br2

C2H5OH

Br

Br

Br

Br

2,3,4,5-tetrabromopirol

HH

N N

H2 , Ni / Pt

200 - 250o

pirolidinpirol

Kb = 2,5 x 10-14 Kb = 10-3

Zn , HCl

3-pirolin

N

H

1. Reaksi reduksi

Sifat aromatis furan dapat dihilangkan dengan mereduksi furan menjadi tetra hidro

furan

Makin berkurang sifat aromatisnya makin tinggi titik didihnya, karena makin banyak

dapat membentuk ikatan hidrogen.

2. Reaksi halogenasi


O O

H2 , Ni / Pd

50oC 90 -93 %

furan tetra hidro furan

td 31o td 65o

tetra hidro furan

O

H2O_

CH2 CH CH CH21,3-butadiena

O

tetra hidro furan

+ NH3

N

Hpirolidin

O

tetra hidro furan

+ HCl CH2 CH2 CH2 CH2OHCl

tetra metilen klorohidrin

Senyawa turunan furan (asam furoat) dapat bereaksi dengan halogen, dan setelah

dipanaskan terbentuklah 2-bromo furan.

Senyawa halo-furan juga dapat diperoleh dengan reaksi sebagai berikut :

Dari reaksi ini, juga dapat diturunkan senyawa furan yang tersubstitusi dengan gugus

asetil.

Tetapi umumnya, 2-asetil furan dibuat dengan larutan asam asetat anhidrid yang diri

garam boron triflourida eterat.

Reaksi substitusi elektrofilik


asam furoat

O O

bromo furan

C

O

OH

Br2

OH

O

COBr Br+ CO2

O

halo-furan

OO

furan

HgCl2O

ONaCH3 C X

X2

HgCl

HgCl O

2-asetil furan

O CO

Cl

RO

C

R

HgCl O

2-asetil furan

O CO

O

CH3 C

O

CCH3

O

+C2H5 O C2H5

BF3

CH3

1. Reaksi Nitrasi

2. Reaksi Sulfonasi

Kesimpulan

• Substitusi elektrofilik berlangsung terutama pada posisi 2.

• Posisi 2 (disukai).

• Posisi 3 (tidak disukai).


NO2CCH3ONO2

O

furan

O O

+O

CH3 C

OH

2-nitro furan

furan

O+ NSO3

2-furan sulfonat

O SO3H

NO2N

H

N

H

N

H

+NO

2

NO2

H+

+HNO2

H

N+

HNO2

H

N

-H+

-H+

N

H

NO2

H

++

H

NO2+

NO2

H

N

H

N

H

N

NO2

Piridin

Piridin mempunyai struktur yang serupa dengan benzena

Masing-masing atom penyusun cincin, terhibridisasi sp2 dan mempunyai satu elektron

dalam orbital p yang disumbangkan ke awan elektron p aromatik.

Perhatikan perbedaan antara benzena dan piridin

Benzena bersifat simetris dan nonpolar, tetapi piridin mengandung satu nitrogen yang

bersifat elektronegatif, sehingga bersifat polar.

Pembentukan kation menyebabkan cincin semakin bersifat tuna elektron


Piridin

N N

Piridin

atau

N

++

+

+

+

+

__

_

__

_

N

+

-N

+

-N

+

-

N

FeBr3

+_

+

N

FeBr3

+_

+

Cincin piridin mempunyai kereaktivan rendah terhadap substitusi elektrofilik

dibandingkan dengan benzena. Piridin tidak mengalami alkilasi atau asilasi Friedel-Crafts

maupun kopling garam diazonium. Brominasi berlangsung hanya pada temperatur tinggi

dalam fase uap dan agaknya berlangsung dengan jalan radikal bebas. Bila terjadi

substitusi, akan berlangsung pada posisi 3.

Perbedaan lainnya, nitrogen dalam piridin mengandung sepasang elektron mandiri dalam

orbital sp2. Pasangan elektron ini dapat disumbangkan ke suatu ion hidrogen, sehingga

piridin bersifat basa. Kebasaan piridin (pKb = 8,75) jauh dari kebasaan amina alifatik

(pKb = 4), tetapi piridin menjalani banyak reaksi khas amina

Seperti benzena, cincin aromatik piridin bertahan terhadap oksidasi, tetapi rantai samping

dapat dioksidasi menjadi gugus karboksil.


N N N

Br2300o

Br Br Br

+

3-bromopiridin 3,5-dibromopiridin

N

N

N

H Cl-+

CH3 I-+

piridinium klorida

N-metilpiridinium iodida

HCl

piridin

CH3I

CH3KMnO4, H2O, H+

COOH

toluena asam benzoat

N

CH3KMnO4, H2O, H+

COOH

N3-metilpiridin asam 3-piridinakarboksilat

(asam nikotinat)

Substitusi Nukleofilik pada Cincin Piridin

Bila suatu cincin benzena disubstitusi dengan gugus penarik elektron, seperti –NO2 maka

substitusi nukleofilik aromatik sangat dimungkinkan.

Nitrogen dalam piridin menarik rapatan elektron dari bagian lain cincin itu, sehingga

piridin juga mengalami substitusi nukleofilik. Substitusi berlangsung paling mudah pada

posisi 2, diikuti oleh posisi 4, tetapi tidak pada posisi 3.

Posisi 2 (disukai)

Zat antara pada substitusi C-2, terstabilkan oleh sumbangan struktur resonansi dalam mana

nitrogen mengemban muatan negatif.


O2N

NO2

Cl NH2

NO2

O2NNH3

N Br

NH3

kalor NH2N

2-bromopiridin 2-aminopiridin

4-aminopiridin4-kloropiridin

Nkalor

NH3

N

Cl NH2

N Br

NH3

-H+NH2BrN

_ _

N Br

NH2 NH2BrN

_

N NH2

- Br-

penyumbang utama

struktur-struktur resonansi untuk zat antara

Posisi 3 (tidak disukai)

Substitusi pada posisi C-3 berlangsung lewat zat antara dalam mana nitrogen tak dapat

membantu menstabilkan muatan negatif, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi yang

menyebabkan laju reaksi lebih lambat.

Benzena tanpa subtituen, tidak mengalami substitusi nukleofilik.

Piridin mengalami substitusi nukleofilik, jika digunakan basa yang sangat kuat, seperti

reagensia litium atau ion amida.



- Br-

NH2

N

_

N

Br

NH2NH2

Br

N__

N

Br

NH2

-H+

NH2Br

N

NH2_

+ 100otidak ada reaksi

N

+_

NH2100o

- H2N NH

_ H2ONH2N

+ OH-

2-aminopiridin

N

+ Li 100o

N+ LiH

2-fenilpiridin

Dalam reaksi antara piridin dengan ion amida (NH2-), produk awal terbentuk adalah anion

dari 2-aminopiridin, yang kemudian diolah dengan air, sehingga menghasilkan amina

bebas.

Tahap 1 (serangan NH2-)

Tahap 2 (pengolahan dengan air)

Kuinolin dan Isokuinolin

Kuinolin dan isokuinolin, keduanya merupakan basa lemah (pKb masing-masing 9,1 dan

8,6). Kuinolin dan isokuinolin, keduanya menjalani substitusi elektrofilik dengan lebih

mudah dari piridin, tetapi dalam posisi 5 dan 8 (pada cincin benzenoid, bukan pada cincin

ntrogen)



- H-

NNH2NH2

N

_

_NNH2

NH2N _

H H H

_

N N

H

H

+ H_

_NHN

+ H2

anion dari 2-aminopiridin

+ H2O

N NH_

N NH2

+ OH_

2-aminopiridin

N

Kuinolin

HNO3H2SO4

0o N N+

NO2

NO25-nitrokuinolin

8-nitrokuinolin(52%)

(48%)

Seperti piridin, cincin kuinolin dan isokuinolin yang mengandung nitrogen dapat

menjalani substitusi nukleofilik.

Posisi serangan adalah terhadap nitrogen dalam kedua sistem cincin itu, tepat sama

seperti di dalam piridin.

Porfirin

Sistem cincin porfirin terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh gugus =C-.

Sistem cincin keseluruhan bersifat aromatik.


Isokuinolin

N0o

H2SO4

HNO3

N

5-nitroisokuinolin

N

8-nitroisokuinolin

NO2

NO2

+

(90%)

(10%)

(1) NH2-

Kuinolin

N(2) H2O

N NH22-aminokuinolin

N

Isokuinolin

(2) H2O

(1) CH3Li

1-metilisokuinolin

N

CH3

N

N

NNH

H

Porfirin

Sistem cincin porfirin merupakan satuan yang secara biologis sangat penting khususnya

dalam : heme, komponen hemoglobin yang mengangkut oksigen.

Klorofil, suatu pigmen tumbuhan.

Sitokrom, senyawa yang terlibat dalam pemanfaatan O2 oleh hewan.

Hidrogen-hidrogen pirol dalam cincin porfirin dapat digantikan oleh aneka ragam ion

logam (kelat)


N N

N

N

Fe

CH2=CH

CH=CH2

CH3

CH3

CH3

CH3

HO2CCH2CH2

HO2CCH2CH2

Heme

N N

N

N

Mg

CH=CH2

CH2-CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

C20H39O2CCH2CH2

Klorofil-a

O

CH3O2C

Sitokrom c

HO2CCH2CH2

CH3

CH3

CH3

CH3

CHSCH2CH

Fe

N

N

NNCO

NHCH3CHCH2S

CO

NH

HO2CCH2CH2

Heteros i Klik

Documents

Transcript of Heteros i Klik