Reaksi Substitusi dan Eliminasi

1. REAKSI SUBSTITUSI DAN ELIMINASI DARUL NAFIS KIMIA ORGANIK LANJUT PASCASARJANA UNIVERSITAS ANDALAS

2. Reaksi Substitusi Definisi  Reaksi Substitusi Nukleofilik, Reaksi penggantian atom atau gugus atom dari suatu molekul atau nukleofil, terdiri dari Reaksi SN1 dan SN2.  Nukleofil, Spesies yang mempunyai atom dengan orbital terisi 2 elektron (pasangan elektron). Contohnya : H2O, OH- , ROH, NH3.

3. [Sejarah] Penemuan Reaksi Substitusi Nukleofilik 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 o o o

4. [Sejarah] Reaksi inversi Walden

5. Nukleofil Basa Lewis netral atau bermuatan negatif  Koordinasi reaksi meningkat pada nukleofil  Nukleofil netral mengakuisisi muatan positif  Nukleofil anionik menjadi netral

6. Kereaktifan Nukleofil  Tergantung pada reaksi dan kondisi  Makin basa nukleofil semakin cepat reaksi  Nukleofil semakin baik kalau semakin ke bawah pada golongan dalam sistem berkala  Anion biasanya lebih reaktif dari nukleofil netral

7. Substitusi Nukleofilik Skema Umum Reaksi, Contoh :

8. Substitusi Nukleofilik  Terbagi atas 2 jenis, berdasarkan mekanisme reaksi nya : 1. Reaksi Substitusi Bimolekuler (SN2) 2. Reaksi Substitusi unimolekuler (SN1)

9. Reaksi SN2  Reaksi melibatkan inversi pada pusat reaksi  Tatanama menerangkan tahapan reaksi: S = Substitusi N (subscript) = Nukleofilik 2 = keduanya, nukleofil dan substrat berada dalam tahapan yang karakteristik (bimolekular)

10. Ciri Reaksi SN2  Laju reaksi bergantung pada konsentrasi nukleofil maupun substrat.  Setiap penggantian melalui SN2 selalu mengakibatkan inversi konfigurasi • Reaksi akan paling cepat jika gugus alkil pada substrat berupa metal atau primer dan paling lambat jika berupa tersier. Alkil halida sekunder bereaksi dengan laju pertengahan.

11. Mekanisme Reaksi SN2 Reaksi melibatkan keadaan transisi dimana kedua reaktan berada bersama-sama, seperti mekanisme berikut : Leaving grup Nukleofil Transisition State

12. Transition State  Melibatkan–OH dan RX sehingga kecepatan reaksi dipengaruhi oleh konsentrasi keduanya.  Serangan–OH terjadi dari arah berlawanan thd gugus lepas hingga terjadi pembalikan konfigurasi; R  S, S  R  Pemutusan dan pembentukan ikatan terjadi bersamaan hingga SN2 disebut pula sebagai reaksi serentak.

13. Tinjau : Inversi Konfigurasi SN2

14. Gugus Lepas (Leaving Groups) o Gugus lepas yang baik mengurangi halangan reaksi. o Anion stabil adalah basa lemah yang biasanya gugus lepas yang sangat baik dan dapat mendelokalisasi muatan. o Jika suatu gugus sangat basa atau sangat kecil, ia akan menghalangi reaksi (“lousy” leaving groups), ex: OH, OR, dan NH2 .

15. Pelarut (Solvent)  Pelarut yang dapat mendonasikan ikatan hidrogen (-OH atau –NH) memperlambat reaksi SN2 melalui asosiasi dengan reaktan  Energi dibutuhkan untuk memecah interaksi antara reaktan dan pelarut  Pelarut polar aprotik (bukan NH, OH, SH) membentuk interaksi lebih lemah dengan substrat dan mengizinkan reaksi lebih cepat

16. Karakteristik Reaksi SN2  Sensitif terhadap efek sterik  Metil halida paling reaktif  Selanjutnya alkil halida primer adalah yang paling reaktif  Alkil halida sekunder masih dapat bereaksi,  Alkil halida tersier tidak reaktif Tidak terjadi reaksi pada C=C (vinyl halida)

17. Efek Sterik SN2 Atom karbon pada (a) bromometana siap diakses untuk menghasilkan reaksi SN2 yang cepat. Atom karbon pada (b) bromoetana (primer), (c) 2-bromopropana (sekunder), dan (d) 2-bromo-2-metilpropana (tersier) adalah lebih sesak, sehingga reaksi SN2 lebih lambat.

18. Orde Reaksi SN2  Semakin banyak gugus alkil yang terikat pada karbon pusat reaksi, reaksi lebih lambat.

19. Reaksi SN1  Reaksi terjadi dua tahap, dengan membentuk molekul intermediet.  Tatanama menerangkan tahapan reaksi: S = substitusi N (subscript) = nukleofilik 1 = tahapan karakteristik unimolekuler

20. Ciri Reaksi SN1 o Laju reaksi tidak bergantung pada konsentrasi nukleofil. Langkah pertama adalah penentu laju dan nukleofili tidak terlibat dalam langkah ini. o Jika karbon pembawa gugus pergi merupakan stereogenik, reaksi berlangsung terutama dengan hilangnya aktivitas optis (artinya dengan rasemisasi). o Reaksi paling cepat bila gugus alkil pada substrat keadaan tersier dan paling lambat bila primer

21. [Lanjutan...] o Alkil halida tersier bereaksi cepat dalam pelarut protik melalui mekanisme yang melibatkan pembebasan gugus lepas sebelum terjadi adisi nukleofil.

22. Diagram Energi SN1  Tahap penentu kecepatan adalah pembentukan karbokation

23. [penentu laju reaksi] Contoh : CH3 CH3  H3C C Br CH3OH H3C C O CH3 HBr + + CH3 CH3 V = k[(CH3)3CBr]  Penentu laju reaksi tergantung hanya pada (CH3)3CBr ..... Unimolekular

24. Mekanisme SN1 Mekanisme Bertahap : CH3 CH3 Tahap Penentu Laju Reaksi RLS: H3C C Br H3C C Br + CH3 CH3 Tahap I (slow) CH3 CH3 H H3C C H3C C O HOCH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H -H+ H3C C O H3C C O CH3 HBr + CH3 CH3 CH3 Tahap II (fast)

25. Mekanisme SN1

26. Mekanisme SN1 Stereokimia, campuran rasemat Br OH H H2O CH3CH2 CH3 CH3CH2 CH3 CH3CH2 CH3 + H H OH racemic OH2 + H CH3CH2 C CH3 OH2 sp2, trigonal planar

27. Mekanisme SN1 Stereokimia, campuran rasemat :

28. Realitas SN1  Karbokation bisa bereaksi pada sisi yang berlawanan dengan sisi gugus lepas  Reaksi yang terjadi disarankan dengan karbokation yang berjarak dengan gugus pergi selama terjadi adisi nukleofilik  Alternatif bahwa terjadi SN2 tidak mungkin

29. Pelarut (Solvent) pada SN1  Menstabilkan karbokation juga menstabilkan keadaan transisi dan kontrol laju reaksi  Efek pelarut pada reaksi SN1 sebagian besar untuk menstabilkan atau mendestabilkan keadaan transisi

30. Pengaruh Kepolaran Solvent  Pelarut polar, protik dan basa Lewis tidak reaktif memudahkan terbentuknya R+  Kepolaran pelarut diukur sebagai polarisasi dielectrik (P)  Pelarut nonpolar mempunyai P rendah  Pelarut polar mempunyai P tinggi

31. Reaksi SN1 dan SN2 Efek Pelarut Jenis pelarut : nonpolar: heksan, benzen moderat polar: eter, aseton, etil asetat polar protic: H2O, ROH, RCO2H polar aprotic: DMSO DMF asetonitril O O CH3 C N C S H N(CH3)2 CH3 CH3

32. Reaksi SN1 dan SN2 Mekanisme SN1 didukung oleh pelarut protik polar Menstabilkan R+, X– (relatif RX) Dalam pelarut kurang polar Dalam pelarut lebih polar R+X– RX

33. Reaksi SN1 dan SN2 Mekanisme SN2 didukung oleh pelarut polar dan semi polar destabilisasi Nu–, meningkatkan nukleofilisitas dalam DMSO, pelarutan OH- lemah, OH- lebih reaktif dalam DMSO dalam H2O RX + OH– dalam H2O, OH- membentuk ik. hidrogen OH- kurang reaktif ROH + X–

34. REAKSI ELIMINASI Reaksi Eliminasi adalah reaksi pelepasan/pengeluaran molekul dari substrat atau penyingkiran beberapa atom yang terjadi pada suatu senyawa Reaksi eliminasi dapat terjadi pada senyawa organik yang memiliki gugus pergi (leaving group).

35. REAKSI ELIMINASI Pada reaksi ini senyawa yang berikatan tunggal berubah menjadi senyawa berikatan rangkap, sbb :

36. Berdasarkan Jenis Molekul yang Dilepaskan, Reaksi Eliminasi Dibedakan: 1. Reaksi Dehalogenasi Suatu reaksi eliminasi dimana HX dieliminasi dari suatu alkil halida sehingga terbentuklah suatu alkena

37. [Lanjutan...] 2. Reaksi Dehidrasi Molekul air lepas dari senyawa alkohol 3. Reaksi Dehidrogenasi CH3 - CH3 CH2 = CH2 + H2 Etana 750OC etena

38. Berdasarkan kedudukan H tereliminasi, reaksi eliminasi dibedakan: • Reaksi Eliminasi β Reaksi β-eliminasi merupakan reaksi eliminasi dimana unsur H yang dihilangkan terletak pada kedudukan atom karbon β terhadap halogen • ReaksiEliminasiα Reaksi -eliminasi merupakan reaksi pemutusan atau lepasnya unsur H dan X dari suatu alkil halida yang berada pada posisi atom karbon-alpha

39. REAKSI ELIMINASI  Produk mengikuti aturan Zaitsev, dimana alkena yang lebih tersubstitusi/stabil adalah produk yang dominan

40. Aturan Zeitsev, contoh lain...  Komposisi Produk Berdasarkan Kaidah Zeitsev EtONa EtOH + + Br 61% 20% 19% EtONa EtOH + Br 71% 29%

41. MEKANISME REAKSI ELIMINASI Reaksi Eliminasi Bimolekular (E2) Reaksi Eliminasi Unimolekular (E1) 1. 2.

42. MEKANISME REAKSI E2 • Reaksi E2 tidak melewati pembentukan karbokation sebagai zat perantara, melainkan terjadi serempak (satu tahap). • Proton ditransfer ke basa sebagai gugus lepas awal • Keadaan transisi terjadinya lepasnya X dan transfer H

43. MEKANISME REAKSI E2 Contoh :

44. GEOMETRI E2  Antiperiplanar memungkinkan orbital bertumpang tindih dan meminimalkan interaksi efek sterik

45. REAKSI E2  Anti Eliminasi

46. REAKSI E2  Anti eliminasi, contoh lain. CH3 Br EtONa EtOH + major minor CH3 Br " " major

47. REAKSI - E1  Tahap pertama yaitu pembentukan Karbokation  Tahap kedua meliputi pengeluaran Proton oleh suatu Basa dan Pembentukan Ikatan Rangkap Tahap 1 : CH3 CH3 slow + : X H3 C C CH3 H3 C C + CH3 X

48. [lanjutan...] Tahap 2 : H H3 C CH3 fast + Nu H C C H3 C C + CH2 H3 C H H - :Nu

49. [Reaksi E1] Contoh : Reaksi eliminasi tert-butil khlorida dalam etanol 80%

50. Reaksi Substitusi vs Reaksi Eliminasi Reaksi Substitusi Nukleofilik dan reaksi Eliminasi sering saling Berkompetisi. Bagian reaktif dari nukleofil atau basa adalah pasangan elektron bebas. Jadi, semua nukleofil adalah basa yang potensial, dan semua basa adalah nukleofil yang potensial