GUGUS PERGI DAN PENGARUH GUGUS TETANGGA

Gugus Pergi (Leaving Group)

            Gugus pergi yang baik yaitu gugus yang dapat mengurangi halangan reaksi. Gugus pergi berupa anion stabil umumnya basa lemah yang dapat mendelokalisasi muatan.

            Variabel lain yang mempengaruhi reaksi SN₂ adalah sifat leaving group yang digantikan oleh nukleofil. Leaving group bermuatan negatif pada reaksi SN₂. Leaving group terbaik adalah gugus yang mampu menstabilkan muatan negatif dalam keadaan transisi. Semakin besar tingkat stabilisasi muatan oleh leaving group, maka akan semakin rendah energi dari keadaan transisi dan semakin cepat pula reaksinya. Inilah yang diharapkan dari suatu reaksi. Kereaktifan leaving group menunjukkan semakin baiknya leaving group tersebut. Berikut urutan kereaktifan leaving group :

Leaving group yang baik adalah basa lemah seperti ion halida (Cl^-, Br^-, I^-) dan ion tosilat (TosO^-) karena dapat menstabilkan muatan negatif tersebut. Sementara basa kuat seperti ^-OH dan ^-NH₂ adalah leaving group yang buruk.

            Leaving group yang buruk seperti F^-, HO^-, RO^- dan ^-NH₂ tidak dapat tergusur oleh nukleofil. Dengan kata lain, alkil fluorida (R-F), alkohol (-OH), eter (-OR) dan amina (NH₂) biasanya tidak mengalami reaksi SN₂. Reaksi SN₂ melibatkan substitusi leaving group oleh nukleofil. Sehingga reaksi SN₂ dengan substrat alkohol memerlukan pengubahan ^-OH menjadi suatu leaving group yang baik. Berikut reaksi pengubahannya :

 

Pada alkohol primer (1⁰) atau alkohol sekunder (2⁰) terjadi pengubahan alkohol menjadi alkil klorida (R-Cl) melalui reaksi dengan SOCl₂ atau alkil bromida (R-Br) melalui reaksi dengan PBr₃. Pengubahan menjadi alkil halida karena halida merupakan leaving group yang baik.

Gugus Tetangga

            Pada reaksi substitusi nukleofilik, partisipasi gugus tetangga didefinisikan sebagai gugus yang memberikan suatu reaksi intermediet yang baru pada pusat reaksi. Untuk reaksi substitusi, X sebagai gugus tetangga berperan dalam penyerangan nukleofilik intramolekul (dalam 1 molekul) sehingga melepaskan Y sebagai gugus pergi yang kemudian diikuti oleh substitusi intermolekul (dengan molekul lain) yaitu dengan nukleofil (^-Nu:). Sebagai berikut :

 

Hasil dari partisipasi gugus tetangga ialah pembentukan produk substitusi dengan konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi yang seharusnya terjadi pada SN₂, dimana pada reaksi SN₂ umumnya membentuk konfigurasi yang berlawanan dengan substrat. Sehingga dengan adanya partisipasi gugus tetangga, konfigurasi produk yang terbentuk akan sama dengan substrat.

            Mekanisme partisipasi gugus tetangga terjadi pada gugus β yang mempunyai pasangan elektron bebas (PEB). Partisipasi ini menyebabkan : kecepatan reaksi lebih besar daripada yang diharapkan dan konfigurasi pada atom kiralnya dipertahankan (bukan inversi atau rasemisasi). Mekanisme partisipasi gugus tetangga terdiri atas 2 tahap substitusi SN₂ yang masing-masing menyebabkan inversi sehingga hasilnya adalah penahanan konfigurasi. Sebagai berikut :

 

Tahap 1 adalah gugus tetangga (Z:) bertindak sebagai nukleofil yang memaksa gugus pergi (X) untuk keluar, tapi tetangga tersebut masih tetap bertahan terikat pada atom karbon di mana gugus pergi terikat sebelumnya. Tahap 2 nukleofil eksternal (:Y) mengusir gugus tetangga melalui serangan dari arah belakang.

            Faktanya, serangan gugus tetangga (Z:) lebih cepat daripada serangan nukleofil (Y:). Mengapa? Karena gugus Z lebih tersedia pada posisi yang tepat; sedangkan untuk bereaksi dengan Y, maka Y harus bertumbukan dengan substra terlebih dahulu. Reaksi antara substrat dengan Y melibatkan penurunan entropi aktivasi yang besar (ΔSǂ) karena dalam keadaan transisi, reaktan jauh kurang bebas daripada sebelumnya. Reaksi Z melibatkan pelepasan ΔSǂ yang jauh lebih kecil karena masih dalam 1 molekul. Sehingga reaksi Z lebih cepat daripada Y.

            Beberapa gugus tetangga ialah :

1.   Ikatan C=C yang ada dalam suatu gugus

Gugus C=C dapat bertindak sebagai gugus tetangga yang buktinya pada reaksi asetolisis senyawa 8 lebih cepat 10¹¹ kali daripada senyawa 9 dan berlangsung dengan mempertahankan konfigurasi.

 

Mengapa? Karena gugus C=C dapat membantu perginya gugus -OTs.

 

 

2.   Siklopropil sebagai gugus tetangga

Cincin siklopropana mempunyai kemiripan sifat dengan ikatan rangkap dua. Oleh karena itu, cincin yang berada pada posisi yang tepat dapat berpartisipasi sebagai gugus tetangga. Sebagai contoh adalah solvolisis endo-anti-trisiklo-[3.2.1.0]oktan-8-il. p-nitrobenzoat

(senyawa 11) lebih cepat sekitar 10¹⁴ kali daripada senyawa 12.

 

3.   Cincin aromatik (gugus aril) sebagai gugus tetangga

Cincin aromatik dalam posisi β dapat berfungsi sebagai gugus tetangga terlihat melalui reaksi solvolisis L-treo-3-fenil-2-butil tosilat (senyawa 16) di dalam asam asetat. Sebanyak 96% produk asetat yang diperoleh adalah isomer treo dan sekitar 4% saja isomer eritro. Lebih dari itu, kedua isomer D dan L treo (17) dan (18) dihasilkan dalam jumlah yang hampir sama (campuran rasemik).

4.   Ikatan tunggal karbon-karbon (C-C) sebagai gugus tetangga

Pengamatan tentang keterlibatan ikatan tungggal C-C sebagai gugus tetangga dilakukan pada sistem 2-norbornil. Solvolisis dalam asam asetat ekso-2-norbornil brosilat (20) menghasilkan campuran rasemik dari dua asetat ekso, namun tidak ada isomer endo yang terbentuk. Mengapa reaksi solvolisis isomer endo tidak dibantu oleh ikatan 1,6 ? Karena gugus perginya bukan pada posisi yang disukainya untuk serangan dari belakang.

 

5.   Metil (CH₃) sebagai gugus tetangga

Pada solvolisis sistem neopentil seperti neopentil tosilat (22), hampir seluruh produknya adalah hasil penataan ulang dan sudah dipastikan bahwa spesies 23 terdapat dalam jalur reaksi tersebut. 

Namun, apakah perginya leaving group (-Ots) bersamaan dengan terbentuknya ikatan CH₃-C (hasil pengaruh gugus tetangga)? Jawabannya iya. Hasil studi isotop menunjukkan bahwa gugus metil (-CH₃) dalam sistem neopentil ikut berpartisipasi, meskipun hal itu tidak terlalu meningkatkan kecepatan reaksi.

6.   Gugus tetangga yang lainnya adalah atom hidrogen (H), atom oksigen (O), atom nitrogen (N) dan unsur halogen (X).

Question...

1. Mengapa alkohol primer (1⁰) dan alkohol sekunder (2⁰) perlu diubah menjadi alkil klorida dan alkil bromida sebelum menjadi suatu leaving group?

2. Bagaimana pengaruh dari adanya mekanisme partisipasi gugus tetangga terhadap suatu reaksi?

3. Mengapa serangan gugus tetangga (Z:) lebih cepat daripada serangan nukleofil (Y:) ?

 

Firdaus. 2013. Modul Pembelajaran Matakuliah Kimia Organik Fisik II. Makassar : Universitas Hasanuddin Press.

McMurry, J.E. 2012. Organic Chemistry, Eighth Edition. USA : Cengage Learning.