Substitusi Nukleofilik pada Alkil Halida

A. Substitusi Nukleofilik      

            Salah satu reaksi alkil halida adalah substitusi nukleofilik. Dalam reaksi ini, nukleofil (basa Lewis) menggantikan sebuah ion halida, kelompok yang meninggalkan. Klorida, bromida, dan iodida adalah Senyawa Halogen Organik, kelompok meninggalkan yang efektif; nukleofil negatif yang umum termasuk OH -, SH-, NH2-, dan turunannya, serta ion sianida dan asetilida.

`           Reaksi substitusi nukleofilik ditemukan tahun 1896, Walden melihat bahwa asam (-)-malat dapat dirubah menjadi asam (+)-malat melalui tahapan reaksi kimia dengan pereaksi a-kiral. Penemuan ini yang mengaitkan hubungan langsung putaran optik dengan kekiralan dan perubahannya melalui alterasi kimia. Reaksi asam (-)-malat dengan PCl5 menghasilkan asam (+)-klorosuksinat. Reaksi lebih lanjut dengan perak oksida dalam air menghasilkan asam (+)-malat. Tahapan reaksi diawali dengan asam (+) malat menghasilkan asam (-)-malat. Di bawah ini merupakan reaksi inversi Walden:

 

Reaksi alterasi terjadi pada pusat kiral. Reaksi melibatkan substitusi pada pusat kiral. Jadi, substitusi nukleofilik dapat menginversi konfigurasi pada pusat kiral. Adanya gugus karboksil pada asam malat menimbulkan perdebatan mengenai sifat reaksi siklus Walden.

Permasalahan: Mengapa adanya gugus karboksil pada asam malat menimbulkan perdebatan mengenai sifat reaksi siklus Walden ?

Suatu nukleofil (Z:) menyerang alkil halida pada atom karbon hibrida-sp3 yang mengikat halogen (X), menyebabkan terusirnya halogen oleh nukleofil. Halogen yang terusir disebut gugus pergi. Nukleofil harus mengandung pasangan elektron bebas yang digunakan untuk membentuk ikatan baru dengan karbon. Hal ini memungkinkan gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron yang tadinya sebagai elektron ikatan. Ada dua persamaan umum yang dapat dituliskan:

 

Contoh masing-masing reaksi adalah:

 

B. Mekanisme Reaksi Substitusi Nukleofilik pada Alkil Halida

            Ada dua mekanisme reaksi substitusi nukleofilik umum: (1) proses satu langkah di mana nukleofil memasuki sekaligus meninggalkan kelompok keluar (SN2) dan (2) proses dua tahap di mana kelompok penarik berangkat dan kemudian nukleofil memasuki (SN1).

1.      Mekanisme SN2

                Mekanisme SN2 adalah proses satu langkah yang melibatkan baik alkil halida maupun nukleofil secara bersamaan. Inti nukleofil masuk sebagai daun halida, menyerang karbon dari sisi yang berlawanan dengan halida yang berangkat. Reaksinya adalah bimolekuler; ini berarti laju reaksi bergantung pada konsentrasi anion dari alkil halida dan nukleofil. Reaksi yang melibatkan halida optikal terjadi dengan inversi konfigurasi.

Permasalahan: Kita tahu bahwa reaksi SN2 adalah bimolekuler, ini berarti laju reaksi bergantung pada konsentrasi anion dari alkil halida dan nukleofil. Bagaimana hubungan laju reaksi dengan konsentrasi anion dari alkil halida dan nukleofil jika laju reaksi berjalan cepat, lambat ataupun sedang ?

            Mekanisme SN2 adalah proses satu tahap yang dapat digambarkan sebagai berikut:

 

Nukleofil menyerang dari belakang ikatan C-X. Pada keadaan transisi, nukleofil dan gugus pergi berasosiasi dengan karbon di mana substitusi akan terjadi. Pada saat gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron, nukleofil memberikan pasangan elektronnya untuk dijadikan pasangan elektron dengan karbon. Notasi 2 menyatakan bahwa reaksi adalah bimolekuler, yaitu nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi dalam mekanisme reaksi. Adapun ciri reaksi SN2 adalah: 

1. Karena nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi, maka kecepatan reaksi tergantung pada konsentrasi kedua spesies tersebut. 

2. Reaksi terjadi dengan pembalikan (inversi) konfigurasi. Misalnya jika kita mereaksikan (R)-2-bromobutana dengan natrium hidroksida, akan diperoleh (S)-2-butanol.Ion hidroksida menyerang dari belakang ikatan C-Br. Pada saat substitusi terjadi, ketiga gugus yang terikat pada karbon sp3 kiral itu seolah-olah terdorong oleh suatu bidang datar sehingga membalik. Karena dalam molekul ini OH mempunyai perioritas yang sama dengan Br, tentu hasilnya adalah (S)-2-butanol. Jadi reaksi SN2 memberikan hasil inversi. 

3. Jika substrat R-L bereaksi melalui mekanisme SN2, reaksi terjadi lebih cepat apabila R merupakan gugus metil atau primer, dan lambat jika R adalah gugus tersier. Gugus R sekunder mempunyai kecepatan pertengahan. Alasan untuk urutan ini adalah adanya efek rintangan sterik. Rintangan sterik gugus R meningkat dari metil < primer < sekunder < tersier. Jadi kecenderungan reaksi SN2 terjadi pada alkil halida adalah: metil > primer > sekunder >> tersier.

            Diagram reaksi SN2:

 

Peranan gugus tetangga pada mekanisme reaski SN2 

• Sebagai gugus yang memberikan suatu reaksi intermediate yang baru pada pusat reaksi

• Dengan adanya partisipasi gugus tetangga, konfigurasi produk sama dengan substrat. Partisipasi gugus tetangga ini juga dapat mempengaruhi kecepatan reaksi. Jika suatu gugus tetangga mempengaruhi reaksi melalui suatu jalan yang menyebabkan peningkatan kecepatan reaksi, maka gugus tetangga tersebut dikatakan sebagai ―anchimeric assistance‖

• Gugus tetangga dapat menggunakan pasangan elektronnya untuk berinteraksi dengan sisi belakang atom karbon yang menjalani substitusi, sehingga mencegah serangan dari nukleofilik, sehingga nukleofilik hanya dapat bereaksi dengan atom karbon dari sisi depan, dan produknya mengikuti konfigurasi awal. Atom atau gugus yang dapat meningkatkan laju SN2  melalui partisipasi gugus tetangga ialah nitrogen dalam bentuk amina, oksigen dalam bentuk karboksilat dan ion alkoksida, dan cincin aromatik. Partisipasi hanya efektif jika interaksinya membentuk cincin segitiga, lima dan enam.

            Karakteristik Mekanisme SN 2:

            Sensitif terhadap efek sterik. Metil halida paling reaktif. Selanjutnya alkil halida primer adalah yang paling reaktif. Alkil halida sekunder masih dapat bereaksi. Yang tersier tidak reaktif. Tidak terjadi reaksi pada C=C (vinyl halida).

Permasalahan: Mengapa mekanisme SN2 sensitif terhadap efek sterik ?

Permasalahan: Mengapa alkil halida tersier dan vinil halida tidak berlaku pada mekanisme SN 2?

1.      Mekanisme SN 1

                Mekanisme SN1 adalah proses dua langkah. Pada langkah pertama ion halida negatif berangkat meninggalkan intermediate carbocation. Pada langkah kedua, karbokation dinetralisir oleh nukleofil. Reaksi SN1 biasanya terjadi pada kondisi netral atau asam dengan netral nukleofil. Tingkat reaksi tergantung pada langkah lambat, pembentukan karbokation dari alkil halida, dan disebut unimolekul. Reaksi alkil halida optik aktif oleh SN1 menghasilkan formasi dari sepasang enansiomer, campuran rasemat optik tidak aktif, sejak karbokation intermediate dapat diserang dari kedua sisi oleh nukleofil.

            Mekanisme SN1 dalah proses dua tahap. Pada tahap pertama, ikatan antarakarbon dengan gugus pergi putus.  

Gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron, dan terbentuklah ion karbonium. Pada tahap kedua (tahap cepat), ion karbonium bergabung dengan nukleofil membentuk produk

Pada mekanisme SN1, substitusi terjadi dalam dua tahap. Notasi 1 digunakan sebab pada tahap lambat hanya satu dari dua pereaksi yang terlibat, yaitu substrat. Tahap ini sama sekali tidak melibatkan nukleofil.

            Berikut ini adalah ciri-ciri suatu reaksi yang berjalan melalui mekanisme SN1:

1. Kecepatan reaksinya tidak tergantung pada konsentrasi nukleofil. Tahap penentu kecepatan reaksi adalah tahap pertama di mana nukleofil tidak terlibat.

2. Jika karbon pembawa gugus pergi adalah bersifat kiral, reaksi menyebabkan hilangnya aktivitas optik karena terjadi rasemik. Pada ion karbonium, hanya ada a gugus yang terikat pada karbon positif. Karena itu, karbon positif mempunyai hibridisasi sp2 dan berbentuk planar. Jadi nukleofil mempunyai dua arah penyerangan, yaitu dari depan dan dari belakang. Dan kesempatan ini masing-masing mempunyai peluang 50 %. Jadi hasilnya adalah rasemit. Misalnya, reaksi (S)-3-bromo-3-metilheksana dengan air menghasilkan alkohol rasemik.

Spesies antaranya (intermediate species) adalah ion karbonium dengan geometrik planar sehingga air mempunyai peluang menyerang dari dua sisi (depan dan belakang) dengan peluang yang sama menghasilkan X yang melalui mekanisme SN1-adalah campuran rasemik Reaksi substrat R akan berlangsung cepat jika R merupakan struktur tersier, dan lambat jika R adalah struktur primer. Hal ini sesuai dengan urutan kestabilan ion karbonium, 3o > 2o >> 1o.

            Karakteristik Reaksi SN1

Substrat

 Alkil halida tersier adalah yang paling reaktif pada mekanisme ini

 Reaksi dikontrol oleh kestabilan karbokation

 Menurut postulat Hammond,”Setiap faktor yang menstabilkan intermediet berenergi tinggi akan menstabilkan keadaan transisi mengarah ke intermediet”

1.      Perbandingan Mekanisme SN1 dan SN2 

            Tabel berikut memuat ringkasan mengenai mekanisme substitusi dan mebandingkannya dengan keadaan-keadaan lain, seperti keadan pelarut dan struktur nukleofil.Tabel1: Perbandingan reaksi SN2 dengan SN1

 

Pada tahap pertama dalam mekanisme SN1 adalah tahap pembentukan ion, sehingga mekanisme ini dapat berlangsung lebih baik dalam pelarut polar. Jadi halida sekunder yang dapat bereaksi melalui kedua mekanisme tersebut, kita dapat mengubah mekanismenya dengan menyesuaikan kepolaran pelarutnya. Misalnya, mekanisme reaksi halida sekunder dengan air (membentuk alkohol) dapat diubah dari SN2 menjadi SN1 dengan mengubah pelarutnya dari 95% aseton-5% air (relatif tidak-polar) menjadi 50% aseton-50% air (lebih polar, dan pelarut peng-ion yanglebih baik). Kekuatan nukleofil juga dapat mengubah mekanisme reaksi yang dilalui oleh reaksi oleh reaksi SN. Jika nukleofilnya kuat maka mekanisme SN2 yang terjadi.