Reaksi Substitusi
description
Transcript of Reaksi Substitusi
Reaksi Substitusi
REAKSI SUBSTITUSI
I. TUJUAN
1. Mensintesis t-butilklorida dari t-butilalkohol melalui reaksi substitusi nukleofilik.
2. Mensintesis kristal 4-bromonitrobenzen dari bromobenzen melalui reaksi substitusi
elektrofilik.
3. Menghitung rendemen hasil reaksi substitusi nukleofilik dan elektrofilik.
II. DASAR TEORI
Reaksi yang berlangsung karena pergantian (substitusi) satu atom atau gugus atom dalam
suatu senyawa oleh atom atau gugus atom lain disebut reaksi substitusi (Suja, 2003). Reaksi
substitusi dapat terjadi pada substrat karbon yang bermuatan positif (karbonium) dengan
spesi yang menyenangi muatan positif atau spesi yang kelebihan elektron (muatan negatif)
atau yang dikenal dengan nukleofil, sehingga reaksi yang terjadi disebut dengan reaksi
substitusi nukleofilik (SN). Selain itu, reaksi substitusi juga dapat terjadi pada substrat karbon
yang menyenangi muatan negatif atau spesi yang kekurangan elektron (muatan positif) atau
yang dikenal dengan elektrofil, sehingga reaksi yang terjadi dikenal dengan reaksi substitusi
elekrofilik (SE) (Frieda, 2004).
A. Reaksi Substitusi Nukleofilik
Dalam substitusi nukleofilik alifatik, pendonor elektron memberikan pasangan elektron
kepada substrat dan menggunakan pasangan elektron ini untuk membentuk ikatan yang baru
sedangkan gugus pergi (nucleofuge) pergi dengan membawa pasangan elektron. Reaksi yang
terjadi dapat digambarkan seperti berikut.
Nukleofil Y harus memiliki sepasang pasangan elektron bebas, sehingga semua nukleofil
termasuk basa Lewis (Smith & March, 2007).
Menurut kinetika reaksinya, reaksi substitusi nukleofilik dapat dibagi menjadi 2 macam,
yaitu:
1. Reaksi Substitusi Nukleofilik Unimolekuler (SN1)
Laju reaksi substitusi nulkeofilik yang hanya bergantung pada konsentrasi substrat dan
tidak bergantung pada konsentrasi nuleofil dinyatakan sebagai reaksi SN1. Persamaan laju
reaksinya adalah:
Reaksi SN1 terdiri dari dua tahapan reaksi. Tahap pertama melibatkan ionisasi substrat
menjadi ion karbonium yang berlangsung lambat dan merupakan tahap penentu laju reaksi.
Tahap kedua melibatkan serangan nukleofil secara cepat terhadap ion karbonium.
Pada reaksi SN1 memungkinkan untuk terjadi penataulangan ion karbonium untuk
mendapatkan produk yang lebih stabil. Faktor penentu reaksi SN1 adalah:
1. Pelarut polar
2. Struktur RX adalah tersier
3. Nukleofil lemah
2. Reaksi Substitusi Nukleofilik Bimolekuler (SN2)
Jika laju reaksi reaksi substitusi nuleofilik tergantung pada konsentrasi substrat dan
nukleofil, maka tergolong reaksi tingkat dua dan dinyatakan sebagai reaksi SN2. Persamaan
laju reaksinya adalah:
Mekanisme reaksi SN2 terjadi secara serempak, dimana ikatan antara substrat dengan
gugus yang akan diganti melemah, sedangkan ikatan antara nukleofil dan substrat mulai
terbentuk pada saat yang bersamaan. Mekanismenya dapat digambarkan sebagai berikut.
Faktor penentu reaksi SN2 adalah:
1. Pelarut non polar
2. Struktur RX adalah primer
3. Nukleofil kuat
B. Reaksi Substitusi Elektrofilik
Pada benzena dan senyawa aromatik lainnya, di atas dan di bawah bidang cincin terdapat
awan elektron π. Berbeda dengan awan elektron ikatan π dari ikatan rangkap karbon dengan
karbon dalam senyawa alkena, awan elektron π dalam senyawa aromatik meliputi semua inti
karbon dan terjadi delokalisasi lebih panjang sehingga senyawa benzena relatif lebih stabil.
Awan elektron pada cincin benzena merupakan sumber elektron sehingga benzena
bersifat sebagai basa. Kestabilan dari cincin benzena menyebabkan reaksi benzena dengan
reagen elektrofil atau asam, berbeda dengan alkena. Pada alkena terjadi reaksi adisi
elektrofilik sedangkan npada benzena terjadi reaksi reaksi substitusi elektrofilik. Reaksi ini
tidak hanya khas untuk benzena tetapi juga untuk senyawa aromatik lainnya, contohnya
reaksi nitrasi benzena.
Reaksi yang terjadi adalah reaksi substitusi elektrofilik, mirip dengan reaksi halogenasi.
Elektrofil NO2+ terbentuk dari reaksi HNO3 dengan H2SO4. Mekanisme reaksi yang terjadi
adalah sebagai berikut.
1. Pembentukan elektrofil (E+)
2. Serangan elektrofil (E+)3. Pelepasan H+
Nitrasi pada senyawa benzena atau turunannya dapat terjadi dengan mencampur asam
nitrat dan benzena atau turunannya dengan asam sulfat pada pemanasan (Suja,2003).
Brom merupakan pengarah orto dan para, karena dapat menstabilkan muatan positif
benzena pada saat resonansi.
Titik leleh o-bromonitrobenzena adalah 42oC, m-bromonitrobenzena adalah 56oC
sedangkan p-bromonitrobenzena adalah 127oC, sehingga kristal brominitrobenzena yang
diperoleh dapat didentifikasi melalui perbedaan titik lelehnya.
III. PROSEDUR KERJA DAN HASIL PENGAMATAN
1. Reaksi Substitusi Nukleofilik
Prosedur Kerja Hasil Pengamatan
Sebanyak 15 mL HCl pekat didinginkan
dalam penangas es, kemudian dimasukkan
ke dalam corong pisah 100 mL.
Pendinginan HCl dalam penangas es.
Sebanyak 5 mL t-butilalkohol ditambahkan
tetes demi tetes sambil dikocok. Tutup
corong pisah dibuka kembali sebelum
menambahkan t-butilalkohol kembali.
Pada saat penambahan t-butilalkohol
dan dikocok, ketika keran corong pisah
dibuka terdapat gas yang HCl yang
keluar.
Pengocokan dilanjutkan kembali ± 30 menit
setelah semua t-butilalkohol habis
ditambahkan. Campuran ini dibiarkan
sampai terbentuk 2 lapisan dan lapisan
bawah dipisahkan sebagai HCl.
Campuran ini memmbentuk 2 lapisan,
dimana lapisan atas merupakan
senyawa t-butilklorida dan lapisan
bawah merupakan HCl.
Lapisan atas dicuci dengan 5 mL air
kemudian dicuci kembali dengan 10 mL
larutan Na-bikarbonat.
Setelah dicuci dengan air, terbentuk 2
lapisan kembali. Lapisan atas
merupakan t-butilklorida dan lapisan
bawah merupakan air.
Setelah dicuci dengan Na-bikarbonat,
terbentuk 2 lapisan kembali. Dimana
lapisan atas merupakan t-butilklorida
dan lapisan bawah merupakan Na-
bikarbonat. Lapisan t-butilklorida yang
terbentuk masih keruh karena masih
mengandung air.
Produk yang dihasilkan dikeringkan dengan
menambahkan zat anhidrous (CuSO4),
kemudian dilakukan pengujian titik didih
dengan melakukan distilasi dan pengujian
indeks bias.
Lapisan t-butilklorida setelah
ditambahkan dengan CuSO4 menjadi
bening.
Dihasilkan t-butilklorida sebanyak 2,3
mL.
Titik leleh yang diperoleh dari hasil
distilasi adalah 50oC.
Indeks bias yang diperoleh adalah
1,3828.
2. Reaksi Substitusi Elektrofilik
Prosedur Kerja Hasil Pengamatan
Sebanyak 5 mL asam nitrat dicampurkan
dengan 5 mL asam sulfat pekat dalam labu
dasar bulat dan didinginkan dalam penangas
air es.
Pendinginan asam nitrat pekat dan asam
sulfat pekat dalam penangag air es.
Rangkaian alat substitusi elektrofilik
disusun.
Rangkaian alat substitusi elektrofilik.
Sebanyak 0,025 mol bromobenzena
ditambahkan melalui mulut bagian atas
pendingin. Penambahan dilakukan sedikit
demi sedikit selama 15 menit sambil
dikocok. Suhu dijaga antara 50-55oC.
Bromobenzena yang digunakan = 0,025 mol = 3,925 gram = 2,63 mL (ρ = 1,49 g/mL). Penambahan bromobenzena menyebabkan warna larutan semakin menjadi kekuningan yang lama kelamaan membentuk butiran-butiran kuning.
Campuran didinginkan pada suhu kamar
selama ± 30 menit. Cairan ini dimasukkan
ke dalam gelas kimia 100 mL yang berisi 50
mL air es.
Pendinginan campuran dilakukan pada
suhu kamar selama 30 menit.
Pendinginan pada suhu yang
dilanjutkan dengan penambahan 50 mL
air es menyebabkan butiran kuning
semakin terlihat jelas.
Kristal nitro-benzena disaring kemudian
dicuci dengan air dingin dan dibiarkan
sampai kering pada kertas saring.
Berat kristal nitro-benzena yang
diperoleh seberat 4,7322 gram.
Kristal dipindahkan ke labu Erlenmeyer 100 Campuran ini dipanaskan dengan
mL menggunakan 20 mL etanol 95%.
Campuran ini dipanaskan sampai semua
kristal larut. Kemudian dibiarkan dingin
secara perlahan-lahan dalam temperatur
kamar.
pemanas kemudian perlahan kristal
melarut.
Kristal 4-bromonitrobenzena dipisahkan
dengan cara disaring dan filtratnya
ditampung (filtrat I). Kristal dicuci kembali
dengan alkohol sedikit alkohol dingin dan
kristal dikeringkan. Filtrat yang dihasilkan
ditampung (filtrat II).
Penyaringan kristal 4-
bromonitrobenzena dan setelah ini
kristal dicuci kembali.
Filtrat I dan Filtrat II dicampur kemudian
diuapkan dalam penangas air sampai
volume filtrat tinggal sepertiganya dan
dibiarkan dingin secara perlahan.
Penguapan filtrat dialkukan sampai
volume filtrat tinggal sepertiganya.
Kristal yang dihasilkan dicuci dengan
alkohol dingin dan dikeringkan. Kristal
yang dihasilkan ditimbang dan dilakukan
pengujian terhadap titik lelehnya.
Berat kristal 4-bromonitrobenzena yang
dihasilkan adalah 4,2322 gram.
Titik leleh kristal 4-bromonitrobenzena
adalah 120oC.
IV. PEMBAHASAN
1. Reaksi Substitusi Nukleofilik
Reaksi substitusi nukleofilik yang dilakukan tergolong reaksi SN1. Hal ini teramati dari
penggunaan pelarut polar (dalam hal ini HCl pekat). Disamping merupakan pelarut, HCl juga
merupakan reaktan. Pendinginan HCl pekat ini diperlukan untuk menjaga HCl tetap dalam
fase cair. Apabila tidak dilakukan pendinginan, maka HCl akan menguap sehingga jumlah
HCl yang dapat bereaksi dengan t-butilalkohol menjadi berkurang.
Pada saat penambahan t-butilalkohol harus dilakukan pengocokan untuk mempercepat
terjadinya reaksi. Pada saat ini keran corong pisah dibuka untuk mengusir kemungkinan gas
HCl yang terbentuk. Mekanisme reaksi yang terjadi adalah:
Setelah semua t-butilalkohol ditambahkan, campuran dibiarkan dan membentuk 2 lapisan.
Lapisan atas merupakan t-butilklorida sedangkan lapisan bawah merupakan HCl dan
selanjutnya dipisahkan. Setelah lapisan HCl dipisahkan, t-butilalkohol dicuci dengan air
dengan tujuan menghilangkan HCl yang masih tersisa di lapisan t-butil klorida. Setelah
dicuci, terbentuk dua lapisan kembali dimana lapisan bawah merupakan air dengan
kontaminan HCl, sedangkan lapisan atas merupakan t-butil korida. Lapisan bawah ini
dipisahkan. Setelah pemisahan ini, t-butilklorida kembali dicuci dengan Na-bikarbonat
dengan tujuan menghilangkan kontaminan berupa HCl. Adapun reaksi yang terjadi adalah
sebagai berikut.
NaHCO3 + HCl NaCl + H2O + CO2
Setelah dipisahkan lapisan bawahnya, t-butilklorida yang terbentuk menjadi keruh karena
dikotori oleh air, sehingga perlu ditambahkan dengan zat anhidrous untuk mengikat air. Zat
anhidrous yang digunakan adalah CuSO4. Penambahan CuSO4 ke t-butilklorida dihentikan
ketika CuSO4 yang ditambahkan tidak berubah warna menjadi biru. Setelah penambahan
CuSO4, t-butilklorida yang terbentuk menjadi bening.
Volume t-butilalkohol yang digunakan adalah 5 mL. Volume ini dikonversi ke dalam mol
dengan perhitungan sebagai berikut.
Volume t-butilalkohol = 5 mL.
Massa jenis t-butilalkohol = 0,78 g/mL.
Jumlah mol t-butilalkohol = 0,053 mol
Jumlah t-butilalkohol = jumlah t-butilklorida = 0,053 mol.
Massa jenis t-butilklorida = 0,84 g/mL
Volume t-butilklorida teoritis = 5,84 mL
Volume t-butilklorida yang terbentuk adalah 2,3 mL. Hal ini berbeda dengan hasil
teoritis. Secara teoritis, t-butilklorida yang terbentuk seharusnya adalah 5,84 mL. Perbedaan
ini mungkin disebabkan oleh pendinginan HCl yang kurang sempurna sehingga HCl yang
bereaksi dengan t-butilalkohol sedikit. Hal lain yang mungkin menyebabkan perbedaan ini
adalah pemisahan kurang sempurna sehingga menyebabkan t-butilklorida yang terbentuk
belum memisah secara sempurna dengan pelarut ataupun kontaminan lainnya. Pengocokan
kurang optimal menyebabkan reaksi yang terjadi tidak berjalan optimal dan mengurangi
jumlah t-butil korida yang terbentuk. Dari hasil ini dapat dihitung rendemen dan kesalahan
relatif praktikan.
Rendemen = 2,3 mL/5,84 mL x 100% = 39,38%
Kesalahan relatif = (5,84-2,3)mL / 5,84 mL x 100% = 60,62%
Setelah dilakukan pengujian terhadap titik didih t-butilklorida dengan distilasi, distilat
menetes pada suhu 50oC. Hal ini menunjukkan bahwa t-butilklorida yang diperoleh
merupakan senyawa yang murni, karena secara teoritis titik didih t-butilklorida adalah 49-
52oC. Selain dilakukan pengujian terhadap titik didih, dilakukan juga pengujian terhadap
indeks bias t-butilklorida dan menghasilkan indeks bias sebesar 1,3828. Indeks bias yang
diperoleh tidak berbeda jauh dengan indeks bias secara teoritis yang sebesar 1,3860. Hal ini
menunjukkan bahwa t-butilklorida yang diperoleh merupakan senyawa yang murni.
2. Reaksi Substitusi Elektrofilik
Reaksi substitusi elektrofilik yang dilakukan ini merupakan nitrasi pada senyawa
aromatik. Gugus elektrofil NO2+ dibuat dengan mereaksikan mencampurkan asam nitrat pekat
dengan asam sulfat pekat. Asam sulfat yang digunakan harus benar-benar pekat supaya
mampu mengoksidasi asam nitrat sehingga akan terprotonkan dan membentuk elektrofil
NO2+. Pencampuran asam sulfat pekat dan asam nitrat pekat ini harus didinginkan dengan
tujuan supaya asam sulfat dan asam nitrat tetap dalam fase cairan.
Setelah itu, ditambahkan bromobenzena sebanyak 0,025 mol dengan perhitungan sebagai
berikut.
Massa bromobenzen yang digunakan = 0,025 mol x 157 g/ mol = 3,925 gram.
Volume bromobenzen yang digunakan = 3,925 gram / 1,49 g/ mL = 2,63 mL.
Penambahan bromobenzen dilakukan sedikit demi sedikit sambil digoyang dengan tujuan
tumbukan yang terjadi antara elektrofil dan bromobenzen dapat berlangsung secara
sempurna. Suhu reaksi dijaga antara 50-55oC. Suhu ini dijaga dengan tujuan agar tidak terjadi
gas NO2 yang bersifat racun bagi tubuh. Apabila gas NO2 tidak menguap, maka elektrofil
NO2+ akn tetap dalam fase cair sehingga dapat menghasilkan reaksi yang sempurna.
Kristal nitrobromobenzen yang terbentuk didinginkan selama ± 30 menit dalam suhu
kamar kemudian dicuci dengan air dingin, disaring dan dikeringkan. Pencucian dengan air
dingin ini bertujuan untuk menghilangkan kontaminan dari kristal yang diperoleh. Kristal
nitrobromobenzen yang terbentuk seberat 4,7322 gram. Secara teoritis, berat kristal yang
terbentuk adalah seberat 5,075 gram dengan perhitungan sebagai berikut.
Mol nitrobromobenzen = mol bromobenzen = 0,025 mol.
Massa nitrobromobenzen yang terbentuk = 0,025 mol x 203 g/mol = 5,075 gram.
Perbedaan massa yang diperoleh dengan teoritis kemungkinan disebabkan karena
pembentukan elektrofil yang kurang sempurna karena pendinginan yang kurang sempurna,
sehingga mengurangi jumlah elektrofil dan jumlah produk yang terbentuk menjadi berkurang
juga. Dari kristal nitrobromobenzen yang terbentuk, dapat dihitung rendemen dan kesalahan
relatif praktikan.
Rendemen = 4,7322 gram / 5,075 gram x 100% = 93,25 %
Kesalahan relatif = (5,075-4,7322) gram / 5,075 gram x 100% = 6,75%
Kristal nitrobromobenzen yang terbentuk merupakan campuran struktur o-
bromonitrobenzen, m-bromonitrobenzen, dan p-bromonitrobenzen dengan perbandingan
tertentu. Kristal ini kemudian dilarutkan dalam etanol 95% kemudian dipanaskan sampai
terbentuk kristal 4-bromonitrobenzen. Penggunaan etanol ini berfungsi untuk mengubah
kontaminannya yang berupa 2-bromonitrobenzen dan 3-nitrobromobenzen menjadi kristal 4-
bromonitrobenzen.
Kristal 4-bromonitrobenzena yang diperoleh adalah seberat 4,2322 gram. Secara teoritis,
berat kristal 4-bromonitrobenzena yang terbentuk adalah seberat 5,075 gram dengan
perhitungan sebagai berikut.
Mol 4-bromonitrobenzen yang terbentuk = mol bromobenzen = 0,025 mol.
Massa 4-bromonitrobenzen yang terbentuk = 0,025 mol x 203 g/mol = 5,075 gram.
Kristal 4-bromonitrobenzena yang diperoleh praktikan lebih sedikit daripada kristal 4-
bromonitrobenzena yang terbentuk secara teoritis. Hal dapat disebabkan oleh beberapa faktor,
yaitu:
1. Kurang optimalnya pengocokan yang dilakukan sehingga tidak semua bromobenzena bereaksi
membentuk bromonitrobenzena,
2. Kurang telitinya menjaga rentang suhu saat penambahan bromobenzena sehingga tumbukan
antara elektrofil dengan bromobenzena kurang optimal,
3. Kemungkinan tidak semua produk minor (posisi orto dan meta) dapat berubah menjadi produk
mayor (posisi para) melalui penambahan etanol sehingga rendemen menjadi kurang dari
100%.
Setelah dilakukan pengujian terhadap titik leleh 4-bromonitrobenzen, diperoleh titik leleh
sebesar 120oC. Hal ini berbeda terlalu jauh dengan titik leleh p-nitrobromobenzena secara
teoritis yang sebesar 127oC. Hal ini menunjukkan bahwa kristal p-nitrobromobenzena yang
diperoleh masih berupa campuran, namun kristal 2-bromonitrobenzena dan 3-
bromonitrobenzena yang merupakan kontaminannya hanya dalam jumlah sedikit.
Dari kristal 4-bromonitrobenzen yang terbentuk, dapat dihitung rendemen dan kesalahan
relatif praktikan.
Rendemen = 4,2322 gram / 5,075 gram x 100% = 83,39%
Kesalahan relatif =(5,075-4,2322) gram / 5,075 gram x 100% = 16,61%
V. SIMPULAN
Berdasarkan hasil praktikum dan uraian di atas, dapat disimpulkan beberapa hal, yaitu:
1. Volume t-butilklorida yang dihasilkan sebanyak 2,3 mL dengan titik didih 50oC dan indeks
bias 1,3828. Rendemen t-butilklorida = 39,38%, dengan keslahan relatif sebesar 60,62%.
2. Berat kristal nitro-benzena yang diperoleh seberat 4,7322 gram. Rendemen nitro-benzena =
93,25%, dengan kesalahan relatif sebesar 6,75%.
3. Berat kristal 4-bromonitrobenzena yang dihasilkan adalah 4,2322 gram dengan titik leleh
adalah 120oC. Rendemen 4-bromonitrobenzena = 83,39%, dengan kesalahan relatif sebesar
16,61%.
DAFTAR PUSTAKAFrieda Nurlita dan I Wayan Suja. 2004. Buku Ajar Praktikum Kimia Organik. Singaraja : IKIP
Negeri Singaraja
Furniss, Brian S., Antony J. Hannaford, Peter W.G. Smith, Austin R. Tatchell. 1989. Vogel’s
Textbook of Practical Organic Chemistry. New York : The Bath Press
I Wayan Suja dan Frieda Nurlita. 2000. Buku Ajar Kimia Organik 1. Singaraja : STKIP Singaraja
I Wayan Suja dan I Wayan Muderawan. 2003. Buku Ajar Kimia Organik Lanjut (Stereokimia,
Struktur & Reaktivitas, Mekanisme Reaksi). Singaraja : IKIP Negeri Singaraja.
Pine, Stanley H., James B. Hendrickson, Donald J. Cram, dan George S. Hammond. 1988. Kimia
Organik 2 Terbitan Keempat. Diterjemahkan oleh Roehyati Joejodibroto dan Sasanti W.
Purbo-Hadiwidjoyo. Bandung : Penerbit ITB.
Smith, B. Michael dan Jerry March. 2007. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions,
Mechanisms, and Structure 6th Edition. New Jersey: John Wiley and Sons, Inc.
http://raiwatamertanjaya.blogspot.co.id/2010/12/reaksi-substitusi.html