Materi 5 Reaksi Substitusi Nukleofilik.pdf

REAKSI SUBSTITUSI DAN ELIMINASI

Agus Rochmat S.Si., M.FarmJurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

Univesitas Sultan Ageng TirtayasaBanten

2015Kimia Organik - Reaksi Substitusi

dan Eliminasi

Pendahuluan

Polaritas ikatan karbon – halogen menjadikan karbon memiliki muatan parsial

positif

Dalam alkil halida, polaritas ini menyebabkan karbon menjadi teraktifasi

dalam reaksi substitusi dengan nukleofilik

+ -

C XAtom C elektrofilik mudah diserang oleh nukleofili

(Nu:-) melepas X- (gugus pergi)

CH3Cl + OHΘ → CH3OH + ClΘ

Mekanisme serentak (Hughes-Ingold):

Reaksi SN2

Contoh:

C Cl

H

HH

HO C

H

HH

C

H H

H

ClHO

ikatan C–O mulai tumbuh

ikatan C–Clmakin melemah

-ClΘ

KEADAAN PERALIHAN

sp3

≠

HO- -sp2

Nukleofili (ion hidroksida) menyumbang sepasang elektron bebas melalui

serangan dari arah belakang pada orbital anti ikatan dari atom C pada substrat

(metil klorida)

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK (SN2)

Alkil Halida

Organo halogen

Alkil halida

Aril halida

Halida vinilik C

CCl3

H

ClCl

OH2CHO

I

I

I

I

HC

NH2

C

O

OH

C Cl

H

H

Cl

C Cl

Cl

Cl

Cl

C Cl

Cl

H

Cl

C C

H

H Cl

H

Kimia Organik - Reaksi Substitusi dan Eliminasi

R X Y- R Y X-

Subtitusi Nukleofilik

Reaksi Umum :

Alkil halida Gugus pengganti

Gugus pergi (leaving group)

Mekanisme

SN1 SN2

Produk


++ XR YYR Xstronger

baseweaker

base

K > 1

Br F+ NaF + NaBr

SB WB

Br I+ NaI + NaBr (s)

WB SB

acetone

Gugus pergi merupakan basa lemah

Reaktivitas: R-I > R-Br > R-Cl >> R-F

L.G. baikLebih reaktif

L.G. burukKurang reaktif

Gugus Pergi (Leaving groups)

Basa kuat

Basa lemah

Reaksi umum :

Contoh :

Basa kuat

Basa lemah

Rumus umum laju reaksi : V = k1[RX] + k2[RX][Y–]

RX = CH3X 1º 2º 3º

k1 meningkat

k2 meningkat

k1 ~ 0

V = k2[RX][Y–](bimolekular)

SN2

k2 ~ 0

V = k1[RX](unimolekular)

SN1

Mekanisme SN


Mekanisme SN2A. Kinetika

Contoh: CH3I + OH– CH3OH + I–

V = k[CH3I][OH–], bimolekular

Kedua spesi terlibat dalam tahap penentu laju reaksi

Reaktivitas: R-I > R-Br > R-Cl >> R-F

Pemutusan ikatan C-X terlibat dalam penentu laju reaksi

serentak, mekanisme satu tahap

CH3I + OH–

CH3OH + I–

[HO---CH3---I]–


B. Stereokimia

H Br HO HNaOH

(R)-(–)-2-bromooktan (S)-(+)-2-oktanol

Reaksi stereospesifik:Reaksi berlangsung dengan konfigurasi inversi

Mekanisme SN2


HO C I

H

HH

C

H

IHO

HH

C

H

HOH

H

I++ -

HO C I HO C I HO C I

C. Mekanisme

serangan LG dari arah berlawanan Konfigurasi inversi

Mekanisme SN2


Atom C kiral inversi (pembalikan) konfigurasi Walden

cis-1-kloro-3-metilsiklopentana

H

Cl

H

CH3

OH

Cl

HH

CH3

OH

H

H

CH3

-ClΘ

trans-3-metilsiklopentanol

≠HO

-

-

C Br

H3C

HCH3CH2

(R)-2-bromobutana

≠

(S)-2-butanol

C

H CH2CH3

CH3

BrHO HO C

CH3

HCH2CH3

- - -BrΘ

Contoh

D. Efek Sterik

e.g., R–Br + I– R–I + Br–

Senyawa Kec.Relatif

metil CH3Br 150

1º RX CH3CH2Br 1

2º RX (CH3)2CHBr 0.008

3º RX (CH3)3CBr ~0

Halangan sterik meningkat

C Br

H

HH

I

H C

H

C Br

CHH

H

H

H

H

CHI

Halangan sterik minimal

Halangan sterik minimal

Reaktifitas terhadap SN2:CH3X > 1º RX > 2º RX >> 3º RX

bereaksi dgn mekanisme SN2

(k2 large)

lebih sulit

Tidak bereaksi dgn mekanisme

SN2(k2 ~ 0)

Mekanisme SN2


E. Nukleofil Vs Nukleofilisitas

1. Anions R X OH R OH X+ +

++ XR CNCNR X

R X R O H

H

+ +

++ R O R'

H

R X

H2O

R'OH

X

X

ROH + HX

ROR' + HX

hidrolisis

alkoholisis

2. Species netral

Nu sangat baik: I–, HS–, RS–, H2N–

Nu baik: Br–, HO–, RO–, CN–, N3–

fair Nu: NH3, Cl–, F–, RCO2–

Nu buruk: H2O, ROHNu sangat buruk: RCO2H

Mekanisme SN2

Jenis Nukleofil :

Nukleofilisitas :


A. Kinetik

C

CH3

H3C

CH3

Br CH3OH CH3C

CH3

CH3

O CH3 HBr+ +

contoh :

3º, tidak melalui SN2

V = k[(CH3)3CBr] unimolekular

Penetu laju reaksi tergantung hanya pada (CH3)3CBr

Mekanisme SN1


(CH3)3C–Cl + 2 H2O → (CH3)3C–OH + H3O + ClΘ

Mekanisme bertahap:

Tahap I (lambat) : Pembelahan heterolitik C–Cl

Reaksi SN1

Contoh:

C Cl

H3C

H3CH3C

C

H3C CH3

CH3

sp3

zat antara(karbokation t-butil)

sangat reaktif(distabilkan

oleh solvasi air)

Tahap II (cepat): Reaksi karbokation dengan air disekelilinginya + transfer proton ke molekul air lainnya.

H

OH

+ C OH

H3C

H3CH3C H

kation t-butiloksonium

C OH

H3C

H3CH3C

C

H3C CH3

CH3H2O

+ H3O

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK (SN1)

[email protected], kimia organik

Jika atom C kiral, produk serangan dari atas dan dari

bawah merupakan sepasang enantiomer. Karena peluang

serangan dari kedua arah sama besar, campuran

enantiomer itu memiliki nisbah 1:1 (campuran rasemat)

C CH3

H3C

H3C

serangan Nu:-

dari atas

serangan Nu:-

dari bawah

peluang sama besar

Karbokation: sp2 → planar trigonal (atom C-trivalen dengan muatan formal +1)

Contoh 1:

CH3

H

CH3

Cl

CCH3

H

CH3

-ClΘ

(E)-1-kloro-1,3-dimetilsikloheksana

CH3

H

OCH2CH3

CH3

H

CH3CH2OH

–H2OCH2CH3

CH3

H

OCH2CH3

CH3

(Z)-1-etoksi-1,3-dimetilsikloheksana

CH3

H

CH3

OCH2CH3

H

CH3

H

CH3

OCH2CH3

isomer (E)-nya

CCH3

H

CH3

CH3CH2OH

CH3CH2OH

(serangan dari atas)

CH3CH2OH

–H2OCH2CH3

(serangan dari bawah)

Contoh 2:

C Br

CH3CH2CH2

CH3

CH3CH2

-BrΘ

lambat

(S)-3-bromo-3-metilheksana

O

H

H

cepat

C OHCH3CH2CH2

CH3CH3CH2

H

C OHCH3CH2CH2

CH3CH3CH2

CH2CH2CH3

C

CH2CH3CH3

O

H

H

cepat

HO C

CH2CH2CH3

CH3

CH2CH3

H

H2O

-H3O

HO C

CH2CH2CH3

CH3

CH2CH3

campuran rasemat3-metil-3-heksanol

H2O

-H3O(serangan dari belakang)

(serangan dari depan)

50%(R) 50%(S)

CH2CH2CH3

C

CH2CH3CH3

B. Mekanisme

C

CH3

H3C

CH3

Br

CH3C

CH3

CH3

O CH3 HBr+

RLS: C

CH3

H3C

CH3

+ Br

C

CH3

H3C

CH3

HOCH3 C

CH3

H3C

CH3

O

H

CH3

C

CH3

H3C

CH3

O

H

CH3

-H+

tahappenentu lajureaksi

Mekanisme SN1


D. Stereokimia: stereorandom

CH3CH2

Br

H

CH3 CH3CH2

OH

H

CH3 CH3CH2

H

OH

CH3+H2O

racemic

CH3CH2 CH

CH3

+

OH2

OH2

sp2, trigonal planar

Mekanisme SN1

rasemat


E. Stabilitas Karbokation

Stabilitas R+ : 3º > 2º >> 1º > CH3+

Raktivitas R-X terhadap SN1: 3º > 2º >> 1º > CH3X

CH3+

1º R+

2º R+

3º R+

Kemungkinan penataan ulang

Mekanisme SN1


SN1 vs SN2A. Efek pelarut

nonpolar: heksan, benzenmoderat polar: eter, aseton, etil asetat

polar protic: H2O, ROH, RCO2Hpolar aprotic: DMSO DMF asetonitril

CH

O

N(CH3)2

CH3 C NCH3

S

O

CH3

Jenis pelarut :


SN2 SN1

a) Alkil halida& pelarut

Metil, 1o, dan 2o (pada pelarut nonpolar & gas)

2o (pada pelarut polar), 3o, alilik, dan benzilik

b) Nukleofili Kuat (biasanya anionik) Lemah (biasanya netral)

c) Tahapan reaksi 1 tahap: serangan dari belakang melalui keadaan peralihan

2 tahap: lepasnya gugus pergi menghasilkan zat antara karbokation/ karbonium diikuti oleh serangan nukleofili dari dua arah

d) Stereokimia Inversi (pembalikan) konfigurasi

Rasemisasi

e) Laju reaksi Orde kedua(dwimolekuler); bergantung pada konsentrasi alkil halida & nukleofili

Orde pertama(unimolekuler); hanyabergantung padakonsentrasi alkil halidakarena tahap I penentulaju

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK

Mekanisme SN1 didukung oleh pelarut protik polar

Menstabilkan R+, X– (relatif RX)

RX

R+X–

dalam pelarut kurang polardalam pelarut lebih polar

A. Efek pelarut

SN1 vs SN2


A. Efek pelarut

Mekanisme SN2 didukung oleh pelarut polar dan semi polar

destabilisasi Nu–, meningkatkan nukleofilisitas

RX + OH–

ROH + X–

dalam DMSO

dalam H2O

SN1 vs SN2

dalam H2O, OH-

membentuk ik. hidrogen OH- kurang reaktif

dalam DMSO, pelarutan OH- lemah, OH- lebih reaktif


B. Kesimpulan

RX = CH3X 1º 2º 3º

V SN1 meningkat (stabilitas karbokation)

V SN2 meningkat (efek sterik)

bereaksi terutama melalui SN2

(k1 ~ 0, k2 besar)

bereaksi terutama melalui SN1(k2 ~ 0, k1 besar)

dapat bereaksi dgn

kedua mekanisme

SN2 jika ada Nu baik (V = k2[RX][Nu])-biasanya dalam pelarut polar aprotik

SN1 dapat terjadi tanpa kehadiran No baik (V = k1[RX])- biasanya dalam pelarut polar protik (solvolisis)

SN1 vs SN2


R OH + HX → R – X + H2O

KEREAKTIFAN:

Dengan hidrogen halida, alkohol mengalami reaksi substitusi menghasilkan

alkil halida dan air.

Pasangan elektron pada atom O membuat alkohol bersifat basa sekaligus

nukleofilik. Dengan asam kuat, alkohol berperan sebagai akseptor proton:

Alkohol 3o > 2o > 1o

HI > HBr > HCl (HF umumnya takreaktif)

R OH + H – A R – OH2 + AΘ

Protonasi alkohol mengubah gugus pergi yang buruk (karena OHΘ basa kuat)

menjadi baik (H2O). Atom karbon juga menjadi lebih positif (karena –OH2 lebih

menarik elektron), maka lebih rentan terhadap serangan nukleofilik.

REAKSI SN Alkohol

Reaksi SN1

Substrat: Alkohol 2o , 3o , alilik, dan benzilik terprotonasi.

(CH3)2CH + ClΘ (CH3)2CH –- Clcepat

(CH3)2CH – OH + H3O + ClΘ (CH3)2CH – Cl + H2O

isopropil alkohol isopropil klorida

(CH3)2CH OH + H O H

H

(CH3)2CH OH2

+ H2O

cepat

(1)

(2) (CH3)2CH + H2Olambat

(CH3)2CH OH2

(3)

Reaksi SN2

Substrat: Alkohol 1o dan metanol terprotonasi.

H C

H

O

H

H

H

+ H2OX X C

H

HH

via keadaanperalihan

Θ

Mekanisme SN1 / SN2

3o: (CH3)3COH + HCl

2o: (CH3)2CHOH + HCl

1o: CH3CH2OH + HCl

(CH3)3CCl + H2O

(CH3)2CHCl + H2O

CH3CH2Cl + H2O

25oC

ZnCl2

ZnCl2kalorkere

aktif

anm

enin

gkat

Nukleofilitas ClΘ < BrΘ atau IΘ HCl tidak bereaksi dengan alkohol 1o atau 2o

tanpa penambahan ZnCl2 atau asam Lewis yang serupa. Fungsi ZnCl2 protonasi alkohol:

R O

H

ZnCl2

Cl

Θ

+ Cl – R + [Zn(OH)Cl2]

Θ

[Zn(OH)Cl2] + HΘ ZnCl2 + H2O

R OH

+ ZnCl2

GP yang buruk

R O

H

ZnCl2

GP yang baik

Reaksi dengan PBr3

3 ROH + PBr3 → 3RBr + H3PO3

Contoh:

Mekanisme reaksi:

Alkohol juga dapat diubah menjadi alkil halida menggunakan pereaksi

fosforus tribromida (PBr3) atau tionil klorida (SOCl2).

4 jam

-10 s.d. 0OC3 (CH3)2CHCH2OH

+ PBr3

3 (CH3)2CHCH2Br

(55–60%)+ H3PO3

Br P Br

Br

+ R O PBr2

H

R OH

GP yang baik

+

Br

Θ

R – Br + HOPBr2R O PBr2

H

SN2+

Br

Θ

(bereaksi dengan berturut-turut 2 mol alkohol lagi)

(1)

(2)

ROH + SOCl2 RCl + SO2(g) + HCl(g)

piridin

CH2OH

OCH3

+ SOCl2

CH2Cl

OCH3

+ SO2 + HCl(membentuk

garam dengan piridin)(91%)

Mekanisme reaksi:

Reaksi dengan SOCl2

Contoh:

(1)

(2)

adisi

nukleofilikS

O

Cl ClR OH

+ S

O

Cl Cl

OR H

Θ

N

eliminasi

atau R3N:Cl S

O

O R

GP yang baik

alkil klorosulfit

Cl S

O

O R Cl

Θ+

SN2RCl + SO2(g) + HCl(g)

ikut mendorong reaksi ke kanan

Jika atom C pada alkohol yang bereaksi dengan PBr3 atau SOCl2 kiral, maka:

1. Tahap (1): Tidak ada pemutusan ikatan pada atom C Konfigurasi terjaga

(Retensi konfigurasi).

2. Tahap (2): Reaksi SN2; ikatan pada atom C diputuskan Konfigurasi

terbalikkan (Inversi konfigurasi).

Reaksi keseluruhan: Pembalikan konfigurasi.

retensi

konfigurasi

C OH

CH3

HCH3CH2

SOCl2 C OSCl

CH3

HCH3CH2

O

(S)-2-butil klorosulfit(S)-2-butanol

*(1)

(2)

Contoh I:

Cl C

CH3

HCH2CH3

(R)-2-klorobutana

inversi

konfigurasi

C OSCl

CH3

HCH3CH2

OSN2

+ SO2 + HCl

(1)

(2)

Contoh II:

OH

H

H

D OPBr2

H

H

DH

retensi

konfigurasi

PBr3

cis-2-deuteriosiklopentanol

3 3

H

Br

H

D

+ H3PO3

trans-1-bromo-2-deuteriosiklopentana

inversi

konfigurasi

SN2

OPBr2

H

H

DH

3 3

2 R–OH + 2 Na/K 2 ROΘ Na/K + H2(g)

R–OH + Na :HΘ ROΘ Na + H2(g)

Pengutuban ikatan O–H atom-H bermuatan + alkohol bersifat asam lemah.

Kecuali metanol (pKa = 15,5), alkohol merupakan asam yang sedikit lebih

lemah daripada air (pKa = 15,74) perlu basa yang lebih kuat daripada OH-.

ROΘ Na (natrium alkoksida) Nu:- kuat bereaksi SN2 dengan alkil halida,

alkil sulfonat, atau alkil sulfat eter.

ROΘ Na + R’ – L → RO – R’ + Na LΘ

R’ = metil, 1o, atau 2o; L = Br, I, OSO2R”, atau OSO2OR”

Contoh: 2 (CH3)3COH + 2 K 2 (CH3)3COΘ K + H2 ↑

t-butil alkohol(berlebih)

kalium t-butoksida

Sintesa Eter Williamson

Contoh:

2 CH3CH2CH2OH + 2 Na → 2 CH3CH2CH2OΘNa + H2

CH3CH2CH2OΘNa + CH3CH2 – I → CH3CH2CH2OCH2CH3 + NaI

Gabungan reaksi alkohol dengan Na, dan reaksi antara Na- alkoksida yang

dihasilkan dengan metil halida, alkil halida 1o atau 2o dikenal sebagai sintesis

eter Williamson.

1-propanol natrium propoksida

etoksi propana(etil propil eter)

(70%)

Pemanasan dialkil eter dengan asam yang sangat kuat (HI, HBr, H2SO4)

menyebabkan terputusnya ikatan C–O.

Contoh:

CH3CH2OCH2CH3 + 2 HBr 2 CH3CH2Br + H2O

Mekanisme reaksi:

CH3CH2 O CH2CH3 + H – Br

CH3CH2OCH2CH3

H

-BrӨ (1)

SN2CH3CH2Br + CH3CH2OHCH3CH2 OCH2CH3

H

BrӨ

(2)

(3) CH3CH2OH + H – Br

CH3CH2 OH

H

SN2

CH3CH2Br + H2O

BrӨ

REAKSI SN Eter

+ H – I

SN2

+ IΘ

+ HI C OCH3

CH3CH2

H

H3C

+ CH3IC OH

H3CH

H3C

(R)-2-metoksibutana (R)-2-butanol

metiliodida

Untuk eter campuran (tidak simetrik), produk alkohol dan alkil halida yang

terbentuk bergantung pada sifat gugus alkil, yaitu apakah reaksi menempuh

mekanisme SN2 atau SN1.

Contoh:

(1)

Mekanisme reaksi:

C OCH3

CH3CH2

H

H3C

C O

CH3CH2

H

H3C

H

CH3

+ CH3I

C OH

H3CH

H3C

SN1

(CH3)3C – OCH3 + H – I(CH3)3C OCH3

H

–IΘ

[(CH3)3C](CH3)3C–I

(CH3)3C–OCH3 + HI (CH3)3C –I + CH3OH

t-butil metil eter t-butil iodida metanol

(2)

Mekanisme reaksi:

–CH3OHIΘ

O

H2C C CH3

CH3

OH

H2C C CH3

CH3

OCH3

HHO

H2C C CH3

CH3

Eter siklik beranggota-tiga sangat terikan (strain) jauh lebih reaktif terhadap

substitusi nukleofilik daripada eter

Katalisis AsamMembantu pembukaan cincin epoksida dengan membentuk gugus pergi yang lebih baik

(alkohol) pada atom C yang diserang Nu:-.

Ciri-ciri:

Nukleofili lemah;

Serangan Nu:- terjadi pada atom-C yang lebih tersubstitusi, sebab

muatan positif parsialnya lebih besar (lebih karbokationik).

H CH3OH

+

+++

2,2-dimetiloksirana

2-metoksi-2-metil-1-propanol

menyerupaikarbokation 3o

HOCH2C(CH3)2OCH3

–H

REAKSI SN Epoksida

O

H2C CH

CH3 CH2 CH CH3

O

OCH2CH3

Katalisis Basa Memerlukan nukleofili kuat, sebab gugus pergi merupakan ion alkoksida yang sangat

basa.

Nukleofili menyerang pada atom C yang kurang tersubstitusi, karena halangan

steriknya minimum (mekanisme SN2).

CH3CH2OΘ

H – OCH2CH3 CH2 CH CH3

OH

OCH2CH3

1-etoksi-2-propanolatom C-1o

kurang terhalangi

Ikatan karbon-logam:

C Θ M C

-

M+

C M

ionik(M = Na, K)

parsial(M = Mg, Li)

kovalen(M = Pb, Sn, Hg, Tl)

Organomagnesium halida (R – MgX) basa kuat & nukleofili kuat. Nu:- kuat reaksi SN2 pada epoksida (eter siklik beranggota-3)

- +

Nu:- menyerang atom C yang kurang tersubstitusi (ciri khas SN2)

Contoh: ≠

CH2CH

CH3

O MgBr CH2CHOH

CH3

H+ Mg2+ + BrΘΘ

MgBr- +

+ OH

H

H

CH3

+

-

C O

C

H H

HCH3

MgBr

--

sp2

+sp3

Agus Rochmat, S.SiJurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Sultan Ageng TirtayasaBanten2008

REAKSI ELIMINASI

Eliminasi alkil halida: dehidrohalogenasi

C

H

C

X

C C+ + BH +B X

Basa kuat : KOH/ethanol; CH3CH2ONa/CH3CH2OH; tBuOK/tBuOH

Eliminasi

Reaksi Umum :

alkil halidabasa kuat

produk (alkena)

Mekanisme

E1 E2


Alkil Halida

C C

H

Br

CH3

H

HH

C2H5O

C2H5O H

C C

BrH

CH3

H

H

CH3CHBrCH3 + C2H5OΘNa CH2=CHCH3 +NaBr + C2H5OH

CH3CH2OH

55oC

≠

CH2= CHCH3 + BrΘ + C2H5OH

(79%)

Mekanisme serentak:

Reaksi E2

Contoh 1:

Ikatan H–C–C–X harus sebidang agar pertumpang-tindihan orbital-

orbital yang membentuk ikatan pada alkena berlangsung efektif.

Konformasi yang disukai ialah anti periplanar: H dan Br

berposisi anti (konformasi silang) → lebih stabil.

B

C C

H Br Br H

B

C C

H

Br Br

H

Pada konformasi sin periplanar, H dan Br berposisi sin

(konformasi tindih) → kurang stabil.

CH3CH C

H2C

Br

CH3

H

H

OCH2CH3

CH3CH2O (2o)

(1o)

H2C C CH2CH3

CH3

2-metil-1-butena(31%) → produk minor

+ C2H5OH + BrΘ

2 substituen alkil(kurang tersubstitusi)

Jika ada > 1 produk alkena, pada umumnya, alkena yang lebih stabil, yaitu yang ikatan

rangkapnya lebih tersubstitusi oleh gugus alkil, menjadi produk utama (aturan Zaitsev).

Contoh 2:

Mekanisme E2 via keadaan peralihan (tidak digambarkan)

Produk dari H 1o:

CH3CH C(CH3)22-metil-2-butena (69%) → produk utama

2-bromo-2-metilbutana(2 jenis atom H-→ 2 produk alkena)

Produk dari H 2o:3 substituen alkil

(lebih tersubstitusi)+ C2H5OH + BrΘ

(CH3)3COΘ+

H3CHC C(CH3)2(27,5%)

CH3CH2 C

CH3

Br

CH3

H2C C CH2CH3

CH3

(72,5%)+

Pada kondisi tertentu, alkena yang kurang tersubstitusi dapat menjadi produk

dominan (aturan Hofmann).

Contoh 3:

(CH3)3COH

75oC

Basa t-butoksida sangat meruah (bulky) dan interaksi dengan pelarut t-butil

alkohol membuatnya lebih besar lagi:

Akibatnya, keadaan peralihan yang terbentuk pada eliminasi atom H-internal (2o) akan sangat berdesakan.

CH3 C O H O C

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Mekanisme Serentak

Konformasi H–C–C–X

Reaksi E1

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK (SN)

REAKSI ELIMINASI (E)

Aturan Zaitsev

Aturan Hofmann

Stereospesifisitas

C6H5

BrH

HBr

C6H5

C6H5

HBr

BrH

C6H5

C6H5

BrH

BrH

C6H5

Jika atom C dan C kiral, pasangan diastereomer dari substrat alkil

halida menghasilkan produk alkena yang secara stereoisomerik berlainan

reaksi stereospesifik

pasangan enantiomer(campuran rasemat)

(1S, 2R) (1R, 2S) bentuk meso

bidangsimetri

CH

Br

CH

Br

1,2-dibromo-1,2-difeniletanan = 2 → maks. 4 stereoisomer;

yang ada hanya 3

next

Contoh 4:

dan

1,2-dibromo-1,2-difenil etana

trans-1-kloro-2-metil sikloheksana

Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Mekanisme Serentak


Reaksi E1



Aturan Zaitsev

Aturan Hofmann

Stereospesifisitas

C C

H

Br

C6H5Br

C6H5H

B

C CHC6H5

C6H5Br

(1S, 2R)

Br

C6H5 HH

C6H5Br

C 6 H 5 H

C 6 H 5B r

(Z)-1-bromo-1,2-difeniletena

prioritas lebih tinggi

next back



Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Mekanisme Serentak


Reaksi E1



Aturan Zaitsev

Aturan Hofmann

Stereospesifisitas

Br

C6H5 HH

BrC6H5

C 6 H 5 H

B rC 6 H 5

prioritas lebih tinggi

Jika alkil halida merupakan halosikloalkana, agar terjadi reaksi E2, atom

H dan gugus pergi X harus 1,2-trans dan diaksial sehingga keduanya

saling anti.

C C

H

C6H5

Br Br

C6H5H

C CC6H5 C6H5

Br H

Bayangan cerminnya, (1R, 2S), juga menghasilkan alkena (Z), tetapi

bentuk meso diastereomeriknya menghasilkan alkena (E).

meso (E)-1-bromo-1,2-difeniletena

back



Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Mekanisme Serentak


Reaksi E1



Aturan Zaitsev

Aturan Hofmann

Stereospesifisitas

Contoh 5:

Cl

CH3

Ada 2 konformasi kursi yang mungkin pada trans-1-

kloro-2-metilsikloheksana, yaitu

CH3

H

Cl

H

H

H

(e,e) (a,a)

1,2-trans& diaksial

Cl

HCH3

H

H

H

next



Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Mekanisme Serentak


Reaksi E1



Aturan Zaitsev

Aturan Hofmann

Stereospesifisitas

Reaksi E2 hanya berlangsung pada konformer (a,a) sebab atom-H dan Cl

saling anti. Namun, konformer ini jauh kurang stabil daripada (e,e), maka

reaksinya berjalan lambat.

CH3

3-metilsikloheksena(100%)

back

Cl

H

H3C

HB

Cl

H

H3C

HB



Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Mekanisme Serentak


Reaksi E1



Aturan Zaitsev

Aturan Hofmann

Stereospesifisitas

H2C CCH3

CH3

CH3 C OCH2CH3

CH3

CH3

CH3 C OH

CH3

CH3

CH3 C Cl

CH3

CH3

+

t-butil alkohol t-butil etil eter

83%

metilpropena17%

80% C2H5OH

20% H2O25oC

SN1

E1

next

Reaksi E1 pada alkil halida selalu bersaing dengan SN1, dan

reaksi SN1 selalu mendominasi.

sintesis alkena dengan eliminasi- HX hampir selalu lebih baik

rendemennya jika dicapai dengan reaksi E2

Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Reaksi E1



Tahap 1 sama untuk E1 maupun SN1 (tahap penentu laju)

CH3 C Cl

CH3

CH3

CH3 C

CH3

CH3

+ ClΘ

Tahap 2 = E1 jika pelarut menjadi basa

Tahap 2 = SN1 jika pelarut menjadi nukleofili

back

(CH3)3C–OSol

+ H+ Sol – O H

(CH3)3C OSol

H

CH3 C

CH3

CH3

H CH2

C(CH3)2 H2C CCH3

CH3

+ Sol–OH2

Sol – O H

Alkil Halida

Alkohol

Reaksi E2

Reaksi E1



CH3CH2OHH2SO4 pekat

180oCCH2= CH2 + H2O

OH + H2O

(CH3)3C–OH H2SO4 20%

85oC(CH3)2C=CH2 + H2O

skloheksena (80%)

metilpropena (84%)

Ker

eakt

ifan

men

ingk

at

1o

2o

3o

Urutan Kereaktifan

Penataan Ulang

Pemanasan kebanyakan alkohol dengan asam kuat seperti H2SO4 atau

H3PO4 menyebabkan mereka kehilangan satu molekul air dan membentuk

alkena

dehidrasi (eliminasi air)

Mekanisme E1 (Whittmore)

Berkebalikan dengan alkil halida yang umumnya mengikuti reaksi E2,

dehidrasi alkohol reaksi E1 (Whittmore)

Alkil Halida

Alkohol



Tahap 3

Tahap 2

Tahap 1

CH3 C OH

CH3

CH3

H O

H

H

+ CH3 C O

CH3

CH3

H

H

+ H2O

ion hidronium(asam)

cepat

alkohol terprotonasi(ion alkiloksonium)

(reaksi endoterm)

+ H2O

karbokation

CH3 C O

CH3

CH3

H

H

lambatCH3 C

CH3

CH3

H2C C

CH3

CH3H

H2C C

CH3

CH3

+ H3O

metilpropena

O

H

H+

cepat

Urutan Kereaktifan

Penataan Ulang


Alkil Halida

Alkohol



Beberapa alkohol 1o dan 2o mengalami penataan ulang kerangka karbon

selama dehidrasi.

H3PO4 85%CH3 C

CH3

CH3

CH

OH

CH3

C CH3C

H3C

CH3

CH3

C CH(CH3)2

H3C

H2C

80oC

+

2,3-dimetil-2-butena(80%)

2,3-dimetil-1-butena(80%)

3,3-dimetil-2-butanol

Penataan ulang ini terjadi dengan geseran hidrida atau geseran

metanida yang mengubah karbokation yang kurang stabil menjadi

lebih stabil

3,3-Dimetil-2-butanol

Urutan Kereaktifan

Penataan Ulang


Alkil Halida

Alkohol



Perubahan ukuran cincin

next

Tahap 2

Penataan ulang berupa geseran metanida (migrasi anion metil). selama

geseran-1,2 ini, anion tidak pernah betul-betul meninggalkan substrat.

Tahap 3

Tahap 1

next

+

+ H2O

CH3 C

CH3

CH3

CH

OH

CH3 H O

H

H

CH3 C

CH3

CH3

CH

OH2

CH3

karbokation 2o

(kurang stabil)

CH3 C

CH3

CH3

CH

OH2

CH3 CH3 C

CH3

CH3

CH CH3

back


Urutan Kereaktifan

Penataan Ulang


Alkil Halida

Alkohol




back

CH3 CCH3

CH3

CH CH3+ +

≠

karbokation 3o

(lebih stabil)

CH3 C

CH3

H3C

CH CH3

CH3 C

CH3

CH CH3

CH3

b

a

CH3 CH

H3C

C CH2

CH3

CH3 C

H3C

C CH3

CH3(b)

(a)

disubstitusi ( 20%)

tetrasubstitusi ( 80%)

Tahap 4

CH2 C

H3C

C CH3

CH3H

H

aturanZaitsev


Urutan Kereaktifan

Penataan Ulang


Alkil Halida

Alkohol




Penataan ulang juga dapat mengubah ukuran cincin.

H, kalorCHH3C

CH3

OH

CHCH3

H3C

CHCH3

H3CCH3

CH3H

CH3

CH3

- H2O

penataan ulang

- H

1,2-dimetilsikloheksena


Urutan Kereaktifan

Penataan Ulang


Alkil Halida

Alkohol




Br

+ +EtONaEtOH

61% 20% 19%

Br

+EtONaEtOH

71% 29%

Eliminasi

Produk mengikuti aturan Zaitsev :

alkena lebih stabil, dihasilkan lebih banyak


Mekanisme E2 : eliminasi bimolekuler

• Reaksi adalah bimolekul, V tergantung pada konsentrasi RX dan B–

V = k[RX][B–]

Tahap penentu laju reaksi melibatkan konsentrasi B–

• reactivity: RI > RBr > RCl > RF

Tahap penentu laju reaksi melibatkan pemutusan ikatan R—X

(Reaksi tidak tergantung pada jenis RX apakah 1º, 2º, atau 3º)

kekuatan ikatan R—X meningkat

Mekanisme E2


A. Satu tahap, mekanisme serentak:

C C

X

H

C C

X

HB

C C

B H

X

B

Br

+ OH-

Zaitsev

Mekanisme E2


B. Anti elimination

HC C

X

HC C

X

anti periplanar-kebanyakan molekul

dapat mengadopsi

konformasi lebih mudah

Eliminasi E2 biasanya terjadi ketika H dan X adalah anti

syn periplanar-tetapi eklips!

Mekanisme E2


CH3

Br

Br

CH3

+EtONaEtOH

""

major minor

major

Contoh :

Mekanisme E2

B. Anti elimination


CH3

Br

HH

CH3

Br

HH

but

Br harus aksial untuk menjadi anti terhadap H:

Br anti terhadap kedua H produk berorientasi Zaitsev

Br anti hanya pada H yang memberikan produk berorientasi non-Zaitsev

Mekanisme E2

Penjelasan contoh :

B. Anti elimination

tetapi


Mekanisme E2:

V = k[RBr][B–]Reaktivitas: RI > RBr > RCl > RF (tidak ada efek 1º, 2º, 3º)

Namun jika:

Maka :V = k[RBr] E1

Reaktivitas: RI > RBr > RCl > RF (melibatkan pemutusan R–X)dan: 3º > 2º > 1º (melibatkan R+)

A. Mekanisme E1

minormajor

EtONaEtOH +

Br

minormajor

EtOH

+

Br

Mekanisme E1


Step 1:(RLS)

Step 2:

Br

H

+ Br

EtOH

+ EtOH2

EtOH + HBr

- R+ dapat mengalami penataan ulang eliminasi biasanya terjadi dengan kehadiran basa kuat

Mekanisme E1

A. Mekanisme E1

Tahap 1: Penentu laju

Tahap 2:


Subtitusi Vs Eliminasi

A. Reaksi unimolekuler (SN1, E1) atau bimolekuler (SN2, E2)?

V = k1[RX] + k2[RX][Nu / B]

• faktor ini akan membesar jika konsentrasi Nu atau B meningkat

Reaksi bimolekular (SN2, E2) didukung oleh konsentrasi Nu baik atau B kuat yang tinggi

• faktor ini akan bernilai nol jika konsentrasi Nu atau B juga nol

reaksi unimolekular (SN1, E1) terjadi pada ketidak hadiran Nu baik atau B kuat


B. Bimolekular: SN2 or E2?

efek sterik meningkat

Nu memiliki efek sterik yang besar

Rate = kSN2[RX][Nu] + kE2[RX][B]


Br

Br

Br

Br

NaOEt O

O

O

+

+

+tBuOK

91% 9%

13% 87%

100%

15% 85%

"

"

1. Struktur substrat: halangan sterikmenyebabkan penurunan V SN2, tidak berpengaruh pada V E2 E2 lebih dominan


2. Basa Vs Nukleofil

• basa yang lebih kuat mendukung E2• nukleofil yang baik mendukung SN2

tBuOK

Br I

OCH3

OtBu

+

+

NaI

NaOCH3

100%

40% 60%

5% 95%

good Nuweak B

good Nustrong B

poor Nustrong B

B. Bimolekular: SN2 or E2?



BrH2O

(weak B,poor Nu)

H

OH2

OH2

OH

V = k[R+][H2O] tidak ada kontrol terhadap rasio SN1 dan E1

C. Unimolekular: SN1 or E1?



1. bimolekular: SN2 & E2

Didukung oleh konsentrasi tinggi dari Nu baik atau B kuat

Nu baik, B lemah : I–, Br–, HS–, RS–, NH3, PH3 mendukung SN2

Nu baik, B kuat : HO–, RO–, H2N– SN2 & E2

Nu buruk, B kuat : tBuO– (sterically hindered) mendukung E2

Substrat:

1º RX lebih sering SN2 (kecuali dengan tBuO–)2º RX bisa SN2 dan E2 (tetapi lebih sering E2)3º RX hanya E2

D. Kesimpulan



2. unimolekular: SN1 & E1

Terjadi pada ketidakhadiran dari Nu baik atau B kuat

Nu buruk, B lemah: H2O, ROH, RCO2H

Substrat:

1º RX SN1 and E1 (hanya dengan penataan ulang)2º RX3º RX SN1 and E1 (dapat terjadi penataan ulang)

tidak dapat mengontrol

rasio SN1 to E1

D. Kesimpulan



Materi 5 Reaksi Substitusi Nukleofilik.pdf

Documents

Transcript of Materi 5 Reaksi Substitusi Nukleofilik.pdf