Subtitusi Nukleofilik(SN)

Alifatik, Lingkar & Aromatik

Subtitusi Elektrofilik(SE)

Terjadi pada Alifatik(jarang), aromatik

Reaksi Subtitusi

SN:R – X + Nu– R – Nu + X–SE:R – X + E+ R – E + X+

SE:R – X + E+ R – E + X+

Substrat Produk Leaving Group

Pereaksi(Penyerang)

SUBSTITUSI NUKLEOFILIK

Reaksi substitusi adalah bentuk reaksi kimia, dimana suatu atom dalam senyawa

kimia digantikan dengan atom lainnya.

Misalnya, 1 atom H dalam metana (CH4) digantikan dengan 1 atom Cl dalam gas klorin (Cl2)

menjadi metil klorida (CH3Cl) dan asam klorida (HCl).

Pada kimia organik maupun anorganik, 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).

Bentuk umum reaksi ini adalah

Nu: + R-X → R-Nu + X:

Dengan Nu menandakan nukleofil, : menandakan pasangan elektron, serta R-X

menandakan substrat dengan gugus pergi X. Pada reaksi tersebut, pasangan elektron dari

nukleofil menyerang substrat membentuk ikatan baru, sementara gugus pergi melepaskan diri

bersama dengan sepasang elektron. Produk utamanya adalah R-Nu. Nukleofil dapat memiliki

muatan listrik negatif ataupun netral, sedangkan substrat biasanya netral atau bermuatan

positif.

Contoh substitusi nukleofilik adalah hidrolisis alkil bromida, R-Br, pada kondisi basa, dimana

nukleofilnya adalah OH− dan gugus perginya adalah Br-.

R-Br + OH− → R-OH + Br−

Reaksi substitusi nukleofilik sangat umum dijumpai pada kimia organik, dan reaksi-

reaksi ini dapat dikelompokkan sebagai reaksi yang terjadi pada karbon alifatik, atau pada

karbon aromatik atau karbon tak jenuh lainnya (lebih jarang).[1]

Menurut kinetikanya, reaksi substitusi nukleofilik dapat dikelompokkan menjadi reaksi SN1

dan SN2.

Nukleofil

Nukleofil adalah sebuah spesies (ion atau molekul) yang tertarik dengan kuat ke

sebuah daerah yang bermuatan positif pada sesuatu yang lain.

Nukleofil bisa berupa ion-ion negatif penuh, atau memiliki muatan yang sangat negatif pada

suatu tempat dalam sebuah molekul. Nukleofil-nukleofil yang umum antara lain ion

hidroksida, ion sianida, air dan amonia.

Perhatikan bahwa masing-masing nukleofil pada gambar di atas mengandung

sekurang-kurangnya satu pasangan elektron bebas, baik pada sebuah atom yang bermuatan

negatif penuh, atau pada sebuah atom yang sangat elektronegatif yang membawa muatan -

yang cukup besar.

Penggantian gugus fungsi melalui substitusi nukleofilik

Reaksi substistusi nukleofilik dari alkil halide berkaitan dengan reaksi eliminasi, dimana

halogen bertindak sebagai gugus pergi dan pergi sebagai sebuah anion.

Nukleofil yang sering digunakan dalam penggantian gugus perginya adalah litium, natrium,

atau garam kalium. Jika kita gunakan M untuk menggantikan litium, natrium atau kalium,

beberapa reagen nukleofil adalah :

Contoh penggunaan dari beberapa nukleofil ini dalam reaksi substitusi.

1.1 Reaksi Substitusi Nukleofilik – Sebuah Reaksi Sn2

Kita akan membahas mekanisme reaksi ini dengan menggunakan sebuah ion sebagai

nukleofil, karena akan lebih mudah. Mekanisme untuk nukleofil air dan amonia melibatkan

tahapan ekstra yang akan dijelaskan pada halaman yang lain.

Kita akan mengambil contoh bromoetana sebagai sebuah halogenalkana primer

sederhana. Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara karbon dan bromin.

Kita akan melihat reaksinya dengan menggunakan ion nukleofil yang umum, yang dalam hal

ini kita sebut sebagai Nu-. Nukleofil ini akan memiliki sekurang-kurangnya satu pasangan

elektron bebas. Nu- misalnya bisa berupa OH- atau CN-.

Pasangan elektron bebas pada ion Nu- akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan

bergerak ke arahnya, dan mulai membentuk sebuah ikatan koordinasi (kovalen datif). Dalam

proses ini, elektron dalam ikatan C-Br akan terdorong lebih dekat ke arah bromin, sehingga

membuatnya semakin negatif. Pergerakan elektron bebas ini ke arah atom karbon akan terus

berlangsung sampai -Nu terikat kuat dengan atom karbon, dan bromin telah dilepaskan

sebagai sebuah ion Br-.

Cara Menuliskan Mekanisme Reaksi

Cara yang paling sederhana adalah sebagai berikut:

Sebagai contoh jika kita gunakan ion sianida sebagai nukleofil maka pasangan

elektron bebas pada ion sianida akan tertarik kuat ke atom karbon yang relative positif, dan

akan bergerak ke arahnya untuk membentuk suatu ikatan. Ion negative yang mendekat akan

mendorong elektron-elektron dalam ikatan karbon-bromin semakin dekat ke bromine.

Pada beberapa titik selama proses ini, gugus CN dan bromine keduanya terikat

setengah ke atom karbon. Ini disebut keadaan transisi untuk reaksi. Ini bukan intermediet dan

kita tidak bisa mengamatinya secara terpisah serta tidak memiliki eksistensi yang independen,

ini hanya merupakan tahap setengah jalan dari perpindahan atom dan elektron yang cukup

samar. Pergerakan pasangan elektron bebas ini terus berlanjut sampai gugus –CN terikat kuat

ke atom karbon, dan bromine telah dilepasskan sebagai ion Br.

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2. S adalah singkatan dari substitusi, N

singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari reaksi ini melibatkan dua

spesies – yaitu bromoetana dan ion Nu-.

Reaksi Sn2 pada halogenalkana sekunder

Reaksi biasa terjadi dengan cara yang sama persis dengan sebuah alkana primer,

walaupun ada kemungkinan untuk berlangsungnya reaksi melalui sebuah mekanisme yang

berbeda.

Pasangan elektron bebas pada ion sianida yang mendekati atom karbon membentuk

sebuah ikatan denan atom karbon relative positif dan dalam proses tersebut elektron-elektron

dalam ikatan karbon-bromin dipaksa untuk bergeser ke atom bromine untuk membentuk

sebuah ion bromide.

Gambar. Diagram energy dari mekanisme Sn2.

Ion hidroksida yang bertindak sebagai nukleofil, dengan menggunakan pasangan elektron

yang tidak berpasangan menyerang ikatan pada bagian yang berlawanan dengan gugus pergi

yang terikat. Hibridisasi dari karbon yang terjadi substitusi mengubah dari sp3 pada alkil

halide menjadi sp2 pada keadaan transisi.

Laju reaksi kimia ditentukan oleh ∆G, yaitu perbedaan energi antara reaktan dan tingkat transisi.Perubahan kondisi reaksi dapat mempengaruhi ∆G dengan 2 cara:

a. Perubahan tingkat energi reaktan

b. Perubahan tingkat energi pada tingkat transisi.

Tingkat energi reaktan yang lebih tinggi akan mempercepat reaksi.

Tingkat energi pada senyawa transisi bertambah besar akan memperlambat reaksi (∆G

lebih tinggi).

Mekanisme jika air yang bertindak sebagai nukleofil.

Mekanismenya melibatkan dua tahapan. Tahapan pertama adalah reaksi substitusi nukleofilik

sederhana:

Karena mekanisme ini melibatkan tubrukan antara kedua spesies dalam tahapan reaksi yang

lambat ini, maka reaksi ini disebut sebagai reaksi SN2.

Substitusi nukleofilik berlangsung sangat lambat karena air bukan nukleofil yang sangat baik.

Air kekurangan muatan negatif penuh, tidak seperti yang terdapat pada ion hidroksida.

Tahapan kedua dari reaksi ini adalah tahapan perampungan produk. Satu molekul air

melepaskan satu dari hidrogen yang terikat pada oksigen menghasilkan sebuah alkohol dan

sebuah ion hidroksonium (juga dikenal sebagai ion hidronium atau ion oksonium).

Ion hidroksonium dan ion bromida (yang berasal dari tahapan substitusi nukleofilik reaksi)

menyusun asam hidrobromat yang terbentuk serta alkohol.

Peranan gugus tetangga terhadap reaksi Sn2

Gugus tetangga berperan dalam proses pembentukan produk pada reaksi Sn2.

Biasanya pada reaksi SN2 selalu terjadi inverse konfigurasi, namun dengan adanya pengaruh

dari gugus tetangga menyebabkan reaksi Sn2 mengalami retensi konfigurasi. Proses

mekanisme dari adanya gugus tetangga ini biasa dikenal dengan neighboring-group

mechanism dan tetap mengikuti mekanisme reaksi Sn2. Pada tahap pertama dari reaksi ini,

gugus tetangga berperan sebagai nukleofil, mendorong keluar gugus pergi, namun tetap

bertahan pada molekul. Pada langkah kedua, nukleofil eksternal menggantikan gugus

tetangga melalui serangan dari bagian belakang gugus tetangga.

Seharusnya reaksi dapat berjalan dengan cepat jika nukleofil menyerang secara langsung.

Namun dalam hal ini, terdapat gugus tetangga yang berperan sebagai wakil dari nukleofil

sementara. Sehingga menyebabkan reaksi berjalan lambat di awal, namun cepat saat Y

menyerang atom karbon C alfa.

1.2 Stereokimia dari reaksi SN2

Apakah ada perubahan struktur dari reaksi Sn2? Kenyataannya penempatan ruang

(struktur) dari nukleofil berhubungan dengan gugus pergi sebagai reaktan melalui keadaan

transsisi dalam jalannya untuk membentuk produknya.

Dua bentuk stereokimia yang mungkin dibentuk dari reaksi Sn2. Dengan jalan yang

ditunjukkan oleh gambar 8.1a, nukleofil sederhana menyerang melalui bagian depan dari

gugus pergi. Substrat yang diserang dari bagian depan, tempa dimana gugus pergi akan pergi.

Ini disebut dengan “front-side displacement” atau substitusi dengan konfigurasi retensi.

Dan kemungkinan bentuk stereokimia keduanya diilustrasikan oleh gambar 8.21b,

dengan nukleofil menyerang substrat melalui arah yang berlawanan dengan ikatan gugus

pergi. Dan ini disebut dengan “back-side displacement” atau substitusi dengan konfigurasi

inverse. Inverse konfigurasi adalah suatu reaksi yang menghasilkan senyawa dengan

konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi reaktan.

Sehingga ada dua kemungkinan dari bentuk stereokimia yang dilakukan melalui

percobaan dengan alkil halide yang optis aktif. Dalam sebuah percobaan, hughes dan ingold

menyatakan bahwa reaksi dari 2-bromooktana dengan ion hidroksida menghasilkan 2-oktanol

yang mempunyai konfigurasi yang berlawanan dengan alkil halide diawal.

Dalam reaksi Sn2 terjadi pembalikan (inverse) konfigurasi, sebab dapat terlihat bahwa

setiap nukleofil yang menyerang gugus C yang relative positif selalu berlawanan dengan

letak gugus bromine di awal reaksi. Artinya reaksi Sn2 memiliki bentuk yang stereoisomer

antara reaktan dengan produk yang dihasilkan.

1.3 Nukleofil dan Nukleofilisitas

Basa lewis sering berperan sebagai nukleofil, namun tidak selalu dibutuhkan dalam

bentuk anion. Basa lewis netral juga bisa digunakan sebagai nukleofil. Contoh yang sering

ditemukan dari reaksi substitusi dengan nukleofil yang netral adalah dalam reaksi solvolisis.

Reaksi solvolisis adalah substitusi dimana nukleofil sebagai pelarut dalam reaksi yang sedang

berlangsung. Solvolisis dalam air akan mengubah alkil halide menjadi alcohol.

Solvolisis metil alcohol mengubah sebuah alkil halide menjadi sebuah alkil metil eter/

Dalam hal ini dan hubungannya dengan solvolisis, langkah pertama bagi penggantian

substitusi nukleofilik dan menentukan tingkatannya. Transfer proton merupakan langkah

yang berjalan dengan lebih cepat. Karena kita sering melihat serangan nukleofil terhadap

substrat dalam langkahnya mengikuti mekanisme Sn2, itu berarti bahwa kecepatan dari

substitusi mungkin terjadi antara nukleofil dengan nukleofil. Hanya beberapa alkil halida

yang lebih reaktif dari beberapa alkil halide lainnya. kekuatan nukleofil, atau nukleofilisita

adalah ukuran seberapa cepat basa lewis menggantikan gugus pergi dengan substrat yang

sesuai. Dengan mengukur kecepatan dari berbagasi macam reaksi basa lewis dengan metil

iodide dalam methanol, daftar untuk relativitas nukleofil dalam methanol yang digunakan

sebagai standar nukeofil telah dikumpulkan. Dan ditunjukkan pada tabel berikut.

Reaktivitas nukleofil :

1. Semakin reaktif suatu nukleofil, biasanya mempercepat reaksi.

2. Basa yang lebih kuat umumnya adalah nukleofil yang lebih baik.

3. Nukleofilitas unsure-unsur meningkat dalam satu golongan pada tabel periodic dari

atas ke bawah.

Cirri reaksi Sn2 :

1. Karen anukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi, maka

kecepatan reaksi bergantung pada konsentrasi kedua spesies tersebut.

2. Reaksi terjadi dengan pembalikan (inverse) konfigurasi. Antara reaktan dan hasil

reaksi memiliki bentuk stereoisomer.

3. Gugus R primer lebih cepat dari sekunder, alasannya karena adanya rintangan sterik.

Rintangan sterik gugus R meningkat dari metil<primer<sekunder<tersier. Jadi

kecenderungan reaksi Sn2 terjadi pada alkil halide : metil> primer> sekunder> tersier.

Faktor-faktor yang menentukan Reaksi SN2

RX : Kepositifan dan Sterik

Makin penuh sesak keadaan struktur RX, energinya makin tinggi, sehingga reaksi

pembentukan akan semakin lambat Jadi urutan kecenderungan umum yaitu

1o > 2o > 3o

NSN2 CH3Cl MeCH2Cl Me2CHCl Me3CCl

Reaktif 1 2,7.10–2 4,9310–4 2,2.10–5

Makin besar gugus R, reaksi akan lambat karna penyerangnya Y– terhubung oleh

sesudahnya gugus R pada atom C tersebut.

Ada pengaruh sterik

Lebih mudah membentuk C+

X– : I > Br > Cl > F

Kebasaan : kemampuan menarik elektron

Keelektronegatifan (kenukleofilan) : kemampuan menyerang nukleus

Lingkungan : Pelarut (tidak terlalu dipengaruhi oleh kepolaran)

Ada penurunan sedikit jika dinaikkan kepolarannya

Kinetika

V = K2 [RX][Y–]

~ Orde kedua

~ Merupakan fungsi dari substrat dan nukleofil

Stereokimia : Inversi

Tidak selalu sejalan

C – F > C – Cl > C – Br > C – I

Tidak begitupenting

Leaving group yang paling baik

R – X R+ + X– sp3 sp2(109,28) planar 120o

2.1 Substitusi Nukleofilik- Sebuah Reaksi Sn1

Sekali lagi, kita akan membahas mekanisme ini dengan menggunakan sebuah ion

sebagai nukleofil, karena lebih mudah, dan lagi-lagi kita akan melihat reaksi ion nukleofilik

yang kita sebut sebagai Nu-. Ion nukleofil ini akan memiliki sekurang-kurangnya satu

pasangan elektron bebas.

Faktor-faktor yang menentukan SN 1

Pengaruh gugus lepas X–

Gugus lepas akan lebih mudah lepas jika memiliki energi ikatan kecil. Jadi tergantung

pada kekuatan ikatan substrat.

Paling sering digunakan adalah Br dan Cl karena ukatan lebih lemah daripada F. I

jarang digunakan karena jarang ditemukan di alam.

Makin besar sifat kebasaan X– makin kuat terikat pada R sehingga sulit lepas. OH-

basa lemah makanya sering digunakan.

X– akan mudah distabilkan dalam pelarut polar, jadi reaksi ini ditambahkan AgNO3 ↔

Ag+ mengikat X–

Pengaruh pereaksi dari gugus yang masuk

Pada reaksi ini, Y– tidak memiliki pengaruh yang besar, karena tahap penentu laju reaksi

adalah pada pembentukan ion R+

Pengaruh struktur R

Makin besar R–nya, pembentukan ion R+ lebih mudah karena terjadi perubahan sudut dari

sp3 → sp2. Setelah putus, kestabilan ion R+ yang terjadi didahului oleh terjadi atom

hidrida resonansi atau hyperkonjugasi. Jadi struktur 3o > 2o > 1o > CH3

Catatan: jangan menggunakan metil iodida sebagai nukleofil

Pengaruh stereokimia

- jika penyerangan dari (a) ==> (R) : Tidak berubah

- jika penyerangan dari (b) ==> (S) : Berubah

- kalau penyerangan sama ==> 50% R + 50% S; Campuran rasemat.

Pengaruh pelarut (lingkungan)

Disukai pelarut polar karena adanya karbokation (menstabilkan) dan biasanya

menggunakan pelarut alkohol atau AgNO3 dalam alkohol.

Contoh:

3-metil-3-heksanol

Hal-hal lain yang mempengaruhi reaksi Sn1

1. Substrat

Semakin stabil intemediet karbonation, semakin cepat reaksi SN1.

Urutan stabilitas ion karbonium

Benzyl ≈ Allyl > tersier > sekunder > primer > karbonium metil

Karbokation benzyl dan allyl terstabilkan oleh efek resonansi.

Urutan stabilitas karbokation tersier, sekunder, primer dan karbonium metil adalah :

2. Leaving group(gugus pergi)

Semakin baik Leaving group, akan semakin cepat reaksi SN1.

I:- > Br:- > Cl:- > H2Ö:

Reaksi SN1 sering dilakukan dibawah kondisi asam, dan air netral akan dilepas sebagai

leaving group. Pada kasus ini, alkohol akan terprotonasi dan melepaskan air untuk

membentuk ion karbonium

3. Nukelofil

Berbeda dengan reaksi SN2 dalam reaksi SN1, nukleofil tidak memainkan peranan

utama. Mengapa??

Karena nukleofil tidak terlibat dalam tahap penentu laju reaksi.

Mis: pada reaksi t-butil alkhol → t-butil klorida, laju reaksinya sama, apakah X nya

Cl, Br atau I.

4. Solvent

Solven dapat mempengaruhi laju reaksi.

• Beberapa solven berinteraksi dengan ion karbonium dan menstabilkannya. Akibatnya,

∆G akan turun dan reaksi berjalan lebih cepat.

• Solven, mis: air dan metanol adalah bagus untuk mensovasi ion karbonium,

• non polar solvent, seperti hidrokarbon jelek dalam mensolvasi ion.

Alasan pengaruh solven pada reaksi SN1 dan SN2 berbeda.

Pada SN2, reaksi berjalan dengan cepat dalam polar aprotik solven, dan berjalan

lebih lambat dalam protik solven, ( energi ground-state dari nukleofil yang

menyerang diturunkan oleh adanya solvasi yang menyebabkan naiknya ∆G)

Pada reaksi SN1, reaksi berjalan baik pada polar protik soven, karena tingkat energi

transition-state lebih diturunkan dibanding energi ground-state dari nukleofil.

Substitusi nukleofilik pada halogenalkana tersier

Anion (nukleofil) yang tersolvasi Solvasi karbokation oleh air

Efek solven pada reaksi SN1

__ aprotik solven

---- protik solven

Perlu diingat bahwa sebuah halogenalkana tersier memiliki tiga gugus alkil yang terikat pada

atom karbon yang memiliki halogen. Gugus-gugus alkil ini bisa sama atau berbeda, tapi

disini

kita hanya akan membahas yang sederhana, yaitu gugus (CH3)3CBr (2-bromo-2-

methylpropane).

Mengapa sebuah mekanisme berbeda diperlukan?

Seperti yang telah dijelaskan bahwa ketika sebuah nukleofil menyerang sebuah

halogenalkana primer, dia akan mendekati atom karbon + dari sisi yang jauh dari atom

halogen.

Pada halogenalkana tersier, hal ini tidak mungkin. Belakang molekul telah terisi oleh gugus-

gugus CH3.

Karena serangan nukleofil dari arah lain tidak bisa terjadi akibat adanya atom bromin, maka

reaksi harus berlangsung dengan sebuah mekanisme alternatif.

Mekanisme alternatif

Reaksi terjadi dalam dua tahapan. Pada tahap pertama, beberapa halogenalkana

terionisasi menghasilkan sebuah ion karbonium dan sebuah ion bromida.

Reaksi ini mungkin karena karbonium tersier relatif stabil dibandingkan dengan yang

sekunder atau primer. Bahkan demikian, reaksi tetap lambat.

Akan tetapi, ketika karbonium terbentuk, dia akan bereaksi segera ketika bersentuhan dengan

sebuah nukleofil seperti Nu-. Pasangan elektron bebas pada nukleofil tertarik kuat ke arah

karbon positif, dan bergerak kearahnya untuk membentuk sebuah ikatan baru.

Kecepatan reaksi akan ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Karena

tahapan awal yang lambat ini hanya melibatkan satu spesies, maka mekanisme ini disebut

sebagai SN1 – substitusi, nukleofilik, satu spesies yang terlibat dalam tahap awal yang lambat.

Gambar. Diagram Energi Sn1

Mengapa halogenalkana primer tidak menggunakan mekanisme SN1?

Jika sebuah halogenalkana primer menggunakan mekanisme ini, maka tahap pertama

akan menjadi, misalnya:

Sebuah karbonium primer akan terbentuk, dan karbonium primer ini jauh lebih tidak stabil

dari segi energi dibanding karbonium tersier yang terbentuk dari halogenalkana tersier – dan

dengan demikian jauh lebih sulit dihasilkan.

Ketidakstabilan ini berarti bahwa dibutuhkan energi aktivasi yang sangat tinggi untuk

reaksi yang melibatkan sebuah halogenalkana primer. Energi aktivasi jauh lebih kecil jika

mengalami reaksi SN2 – olehnya itu reaksi inilah yang terjadi.

Mekanisme

Mekanisme ini melibatkan sebuah tahapan ionisasi awal halogenalkana:

diikuti dengan serangan yang sangat cepat oleh ion hidroksida terhadap ion karbonium yang

terbentuk:

Ini juga merupakan contoh dari substitusi nukleofilik.

Kali ini, tahapan lambat dari reaksi hanya melibatkan satu spesies, yakni halogenalkana.

Reaksi ini disebut reaksi SN1.

Sekarang terdapat sebuah tahapan akhir dimana produk dirampungkan. Satu molekul

air melepaskan salah satu dari hidrogen yang terikat pada oksigen menghasilkan sebuah

alkohol dan sebuah ion hidroksonium – persis sama seperti yang terjadi dengan

halogenalkana primer.

Laju keseluruhan reaksi ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Fakta

bahwa air tidak sama baiknya dengan sebuah nukleofil seperti, katakanlah, OH - tidak

memberikan hasil yang berbeda. Air tidak terlibat dalam tahapan reaksi yang lambat.

Laju reaksi Sn1 tidak dipengaruhi oleh konsentrasi nukleofil, tetapi hanya dipengaruhi

oleh konsentrasi substrat. Hal ini disebabkan karena sangat cepatnya reaksi antara

karbokation dan nukleofil dengan konsentrasi karbokation yang sangat kecil. Reaksi yang

cepat antara karbokation dan nukleofil ini hanya terjadi bila karbokation tersebut dapat

terbentuk.

Gambar. Diagram energi untuk reaks Sn1 dengan air.

Substitusi nukleofilik pada halogenalkana sekunder

Tidak ada mekanisme baru pada jenis halogenalkana ini. Halogenalkana sekunder akan

menggunakan kedua mekanisme – beberapa molekul akan bereaksi menggunakan mekanisme

SN2 dan yang lainnya menggunakan SN1.

Mekanisme SN2 mungkin karena belakang molekul tidak semuanya ditempati gugus

alkil sehingga nukleofil yang mendekat masih bisa terikat pada atom karbon +.

Mekanisme SN1 mungkin karena karbonium sekunder yang terbentuk pada tahap lambat lebih

stabil dibanding karbonium primer. Ion karbonium ini tidak sama stabilnya dengan

karbonium tersier, sehingga rute SN1 tidak sama efektifnya dengan yang terjadi pada

halogenalkana tersier.

1. Reaksi SNi (Subtitusi Nukleofilik Internal)

Reaksi ini konfigurasinya tetap terjaga (retensi)

Contoh:

Kinetika reaksi : v [ROH][SOCl2]

~ Orde kedua ==> SN2–i

Mekanisme:

Disini ada efek gugus tetangga. Jadi disebelah pusat reaksi ada atom-atom yang bersifat

elektronegatif yang dapat memberikan pasangan elektron (O, S, N, E, P).

Ini disebabkan:

- Terjadinya dua kali pembalikan

- Adanya gugus teangga yang bersifat elektronegatif

Reaksi ini SNi–1 tidak terjadi rasemisasi tetapi terjadi retensi

Mekanismenya:

SUBSTITUSI ELEKTROFILIK SENYAWA ALIFATIK

Pada bagian ini, yang menjadi point penting adalah gugus pergi dalam substitusi

elektrofilik yang terbaik berada pada bagian yang akan keluar dengan tidak sempurna sebagai

sebuah pasangan elektron. Untuk system aromatic, gugus pergi yang serinng ditemukan

adalah dalam bentuk proton. Proton dalam alkana yang jenuh sangat tidak reaktif, tapi

reaktifitas tertahan oleh keasaman. Karena sebuah karbanion tetap ketika spesies positif

hilang dari sebuah atom karbon, bagian penting dari struktur dan stabilitas karbanion tak bisa

diacuhkan berhubungan dengan penjelasan dalam materi ini.

Perbedaan mekanisme reaksi substitusi elektrofilik dengan mekanisme reaksi

substitusi nukleofilik, terletak pada spesies penyerang dan gugus pergi. Pada reaksi substitusi

elektrofilik, spesies penyerang dan gugus perginya adalah suatu elektrofil (asam menurut

konsep Lewis ). Pada dasarnya perubahan yang terjadi pada reaksi substitusi elektrofilik

adalah suatu elektrofil (asam menurut konsep Lewis) membentuk sebuah ikatan baru dengan

atom karbon substrat dan salah satu substituen pada karbon tersebut lepas tanpa membawa

pasangan elektronnya. Elektrofilnya dapat berupa ion positif, atau ujung positif suatu dipol,

atau dipol terinduksi. Secara umum persamaan reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut:

R – X + Y + → R – Y + X+

Substrat elektrofil hasil substitusi gugus pergi

Mekanisme

Untuk substitusi elektrofilik, kita bisa membedakannya menjadi paling sedikit 4

bagian, yaitu Se1, Se2 (front), Se2 (back), Sei, Se1 adalah unimolekular, dan yang lainnya

adalah bimolecular. Catatan bahwa istilah “SeAr” telah diarahkan untuk menunjukkan

substitusi elektrofilik aromatic, jadi untuk “Se2” secara khusus mempelajari efek sterik

substitusi elektrofilik yang mungkin. Reaction substitusi alifatik dikenal adanya efek sterik

dengan retensi dan juga inverse.

Mekanisme bimolecular, Se2 dan Sei

Mekanisme bimolecular untuk reaksi substitusi elektrofilik adalah sebanding dengan

mekanisme reaksi Sn2 bahwa terbentuknya suatu ikatan baru sebagai pengganti sebuah gugus

pergi. Bagaimanapun, mekanisme Sn2 masuk membawa gugus dengan sebuah pasangan

elektron, dan orbitalnya dapat mengalami overlap dengan karbon pusat secara umum

menggantikan tempat gugus pergi sebagai sebuah elektron.; sehingga atom karbon akan

mempunyai lebih dari 8 elektron di kulit terluarnya. Karena elektron saling tolak menolak, ini

berarti bahwa gugus yang datang menyerang bagian belakang, dengan posisi sudut 180 dari

gugus pergi, hasilnya merupaka inverse konfigurasi. Ketika spesies nukleofil menyerang

( menyumbangkan elektron) pada sebuah elektrofil, dengan membawa substrat yang memiliki

orbital kosong, diperkirakan serangan secara langsung tidak terjadi secara langsung. Kita

dapat memperkirakan dua kemungkinan; mengirim elektrofil dari depan, dimana dikenal

dengan Se2 (depan), dan mengirim elektrofil lewat belakang, yang disebut Se2 (belakang).

Kemungkinan dapat dilihat pada gambar dibaah ini.(muatan tidak dituliskan)

C X

c

b

a Y+ a

b

c

C Y + X+ (SE2 depan)

a

bc

XC

a

b

c

C YY+ + X+ (SE2, belakang)

Tiap mekanisme reaksi Se2(depan) dan Se2(belakang) dikenal dengan DeAe dalam

system IUPAC. Dengan kemungkinan substrat yang berbeda, mekanisme yang dibentuk

seharusnya menghasilkan konfigurasi retensi dan yang terakhir adalah konfigurasi inverse.

Reaksi allisilane dengan adamantly dan TiCl, sebagai cntoh, diberikan terutama sebuah hasil

anti melalui sebuah reaksi Se2’. Ketika elektrofil bereaksi dari depan, ada 3 kemungkinan

yang ditimbulkan. Sebuah bagian elektrofil mungkin membantu dalam mendorong gugus

pergi untuk keluar. Membentuk sebuah ikatan pada waktu yang sama ikatan C-Y baru

dibentuk :

+ X-ZYC

c

ba

C X

c

ba

Y Z

Mekanisme ini disebut dengan mekanisme SEi dan menghasilkan produk dengan

mempertahankan konfigurasi semula (retensi).

Ketiga mekanisme reaksi subtitusi elektrofilik bimolekuler tersebut [SE2 (depan), SE2

(belakang) dan SEi] sukar dibedakan. Ketiganya hanya dapat dibedakan dengan mengakaji

secara mendalam aspek stereokimianya.

Kebanyakan reaksi substitusi elektrofilik bimolekuler (orde kedua) menghasilkan

produk dengan mempertahankan konfigurasi semula. Hal ini berarti bahwa pada umumnya

reaksi berlangsung dengan mekanisme dimana elektrofil menyerang substrat dari arah depan,

SE2 (depan) atau SEi.

C C

H

CH3 Hg Br + Br Br

C2H5

CH3

H

Br + HgBr2

C2H5

Kenyataan ini berlawanan dengan mekanisme SN2. Pada mekanisme SN2, nukleofil

menyerang atom karbon yang mengikat gugus pergi, sedangkan pada mekanisme SE2

elektrofil menyerang elektron yang mengikat atom karbon dan gugus pergi. Oleh karena itu

reaksi berlangsung lebih cepat jika elektrofil menyerang substrat dari sisi yang sama dengan

kedudukan gugus pergi daripada sebaliknya karena adanya halangan sterik.

Diagram energi untuk reaksi substitusi elektrofilik bimolecular

Pada prinsipnya diagram energy untuk reaksi Se2 senyawa alifatik sama dengan Sn2

senyawa alifatik. Karena tahapan mekanisme reaksi yang dilalui oleh Se2 sama dengan Sn2.

Walaupun mekanisme Se2 memiliki 3 kemungkinan penyerangan elektrofil terhadap atom C

yang mengikat gugus pergi. Jadi dalam hal ini dapat dilukiskan diagram energinya seperti

dibawah ini.

Mekanisme substitusi elektrofilik unimolekuler (SE1)

Mekanisme reaksi substitusi elektrofilik unimolekuler (SE1) terdiri dari dua tahap,

yaitu tahap ionisasi yang berlangsung lambat dan merupakan tahap penentu laju reaksi, dan

tahap penggabungan karbanion dengan elektrofil yang berlangsung cepat.

lambat

Tahap 1. R-X R- : + X+

cepat

Tahap 2. R- : + Y+ R – Y

Elektrofil

Laju reaksi yang mengikuti mekanisme SE1 tidak dipengaruhi oleh konsentrasi

elektrofil karena tahap penentu laju reaksi adalah tahap ionisasi (pembentukan karbanion).

Contohnya adalah reaksi brominasi pada atom karbon yang mengikat gugus penarik elektron

yang dikatalisis oleh basa. Pada reaksi brominasi 2-nitropropana, laju reaksi tidak

dipengaruhi oleh konsentrasi brom tetapi hanya dipengaruhi oleh konsentrasi 2-nitropropana.

Tahap 1:

Tahap 2:

CH3 CH3CH3 C

NO2

CH3C + Br Br

Br

NO2

+ Br

2-bromo-2-nitropropana

-

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.

Reaksi akan menghasilkan produk rasemisasi jika :

1). Karbanion terstabilkan oleh delokalisasi dan konsentrasi elektrofil rendah atau kekuatan

elektrofilnya rendah,

2). Karbanion berstruktur datar dan muatan negatif terdelokalisasi sehingga elektrofil dapat

menyerang karbanion dari kedua sisi,

N +

CCH3 CH3OH-

H

CH3 C + H2O:CH3

NO2O O

- -OO

CH3CH3 C

N

2-nitropropana

-

- -

- -

3). Karbanion berstruktur tetrahedral tetapi membentuk campuran kesetimbangan anion

enantiomerik dengan laju yang lebih cepat daripada laju pembentukan produk.

Karbanion yang berstruktur tetrahedral digambarkan sebagai berikut:

C

c

b

aa

b

c

C

Contoh reaksi SE1 yang menghasilkan campuran rasemat adalah reaksi antara anion 2-

fenil-2-sianobutanoat dengan metanol:

C6H5

C2H5NC-C + H-OCH3

cepatC2H5 - C - H + CH3O-

CN

C6H5

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-

Diagram Energi untuk reaksi Se1 senyawa alifatik

Seperti analog reaksi Sn2 dengan Se2, begitu juga yang terjadi dengan reaksi antara

reaksi Se1 dengan Sn1. Dalam mekanismenya keduanya sama-sama mengalami pembentukan

suatu intermediate. Dimana pada Se1 terbentuk karbanion, sedangkan pada Sn1 terbentuk

karbokation, namun untuk diagram energinya, keduanya memiliki kesamaan.

E

V

S

P

R +

T1 T 2

T = Transisi

Hubungan antara struktur substrat dan kereaktifannya dalam subtitusi elektrofilik

senyawa alifatik

Pada mekanisme reaksi SE1, memiliki tahap penentu laju reaksi mirip seperti

pelepasan proton dari suatu asam. Oleh karena itu adanya gugus-gugus pendorong elektron

akan mengurangi laju reaksi dan sebaliknya gugus-gugus penarik elektron akan menambah

laju reaksi. Pada mekanisme reaksi SE2 (belakang) kereaktifan substrat seperti halnya pada

mekanisme SN2, yaitu semakin besar gugus alkil semakin besar pula halangan steriknya

sehingga laju reaksinya akan semakin kecil. Jadi urutan kereaktifannya adalah: Me > Et >

Pr > i-Pr > neopentil.

Pada mekanisme reaksi SE2 (depan) laju reaksi bergantung pada jenis reaksinya.

Contohnya adalah reaksi antara : RHgBr + Br2 → RBr + HgBr2 yang dikatalisis oleh basa

diperoleh hasil seperti tercantum pada Tabel 5.1.

Tabel 5.1 Laju reaksi relatif RHgBr dengan Br2

R Laju reaksi relatif

Me

Et

Iso-pr

t-bu

iso-bu

neopentil

1

10,8

780

3370

1,24

0,173

Dari tabel tersebut terlihat bahwa adanya cabang pada posisi meningkatkan laju

reaksi sedangkan cabang pada posisi β menurunkan laju reaksi. Bertambahnya laju reaksi

oleh bertambahnya cabang pada posisi karena pengaruh sifat pendorong elektron dari

gugus alkil yang menstabilkan keadaan transisi yang bersifat kekurangan elektron.

Contoh-contoh reaksi subtitusi elektrofilik pada senyawa alifatik:

1. Reaksi substitusi hidrogen oleh deuterium atau tritium.

Substitusi hidrogen yang terikat pada atom C oleh deuterium berlangsung lebih sukar

daripada subtitusi hidrogen yang terikat pada N (trivalen), O atau Halogen. Hal ini

disebabkan molekul-molekul NH3, H2O dan HX (asam halogen) memiliki pasangan elektron

bebas sehingga ion deuterium dengan cepat dapat mengikatkan diri padanya.

R - H + D+R - D + H+

R - T + H+R - H + T+

D+ + :NH3 D - NH3+

D - NH2 + H+

D - OH + H++

D - OH2D+ + :OH2

D+ + :Cl-H D - Cl-H+

D - Cl + H+

Pada alkana tidak terdapat pasangan elektron bebas, sehingga agar dapat terjadi

substitusi oleh deuterium harus didahului dengan proses eliminasi.

R - C - H

H

H H

H

R - C + H_ +

H

H

R - C - D

Pemutusan ikatan C-H pada alkana memerlukan energi cukup besar, sehingga

pemutusan tersebut hanya mungkin terjadi jika dibantu oleh adanya katalis atau bila ikatan C-

H diperlemah oleh gugus penarik elektron. Jika atom C mengikat gugus penarik elektron

seperti –NO2 maka ikatan C-H menjadi lemah sehingga atom H mudah dilepaskan sebagai

proton. Urutan gugus-gugus penarik elektron berdasarkan keefektifannya dalam

mempermudah substitusi adalah:

\ -2

― NO2 > C=O > ―CN > C=O > ―SO3 > ― Cl / | O-‾

2. Reaksi substitusi logam dalam senyawa organologam oleh hidrogen, pola umumnya :

R – L + H+ R – H + L+ ( L = logam)

Contoh: reaksi senyawa organo-magnesium dengan air atau asam,

RMgBr + HOH R – H + Mg(OH)Br

RMgBr + HBr R – H + MgBr2

Reaksi metalasi juga termasuk dalam tipe ini.

C6H6 + C2H5Na C6H5Na + C2H6

Reaksi-reaksi berikut ini sering digunakan untuk mengukur keasaman relatif hidrokarbon.

C6H5 Na + C6H5CH3 C6H5CH2Na + C6H6

C6H5 CH2Na + ( C6H5)2CH3 (C6H5)2CHNa + C6H5CH3

(C6H5) CHNa + ( C6H5)3CH (C6H5)3CNa + ( C6H5)2CH2

Reaksi-reaksi di atas menunjukkan bahwa urutan keasaman hidrokarbon adalah:

Ar3CH > Ar2CH2 > ArCH3 > ArH > RH

Keasaman toluena terjadi karena adanya stabilisasi resonansi pada anion yang terbentuk oleh

lepasnya proton. Hidrokarbon aromatik lebih asam daripada alkana karena atom karbon sp2

lebih elektronegatif daripada sp3. Umumnya dengan bertambahnya karakter s pada orbital

hibrida akan menambah kestabilan pasangan elektron dalam orbital. Alkuna terminal, yang

mempunyai hidrogen yang terikat pada (atom C) orbital sp sehingga bersifat asam. Oleh

karena itu alkuna terminal mudah mengalami reaksi metalasi oleh pereaksi Grignard.

CH3C ≡ C – H + C2H5MgBr CH3C≡CMgBr + C2H6