PEMBENTUKAN IKATAN C-C, PENYERANGAN ELEKTROFILIK DAN NUKLEOFILIK

PEMBENTUKAN IKATAN C-C

Etana, C₂H₆ merupakan molekul paling sederhana yang mengandung ikatan karbon–karbon (C-C).

Molekul etana digambarkan memiliki 2 atom karbon yang berikatan satu sama lain dengan adanya overlap orbital s dari orbital hibridisasi sp³. Sedangkan ketiga orbital hibridisasi sp³ lainnya pada setiap karbon beroverlap dengan orbital 1s dari hidrogen membentuk 6 ikatan C-H. Energi ikatan C-H pada etana lebih lemah dari metana yaitu -421 kJ/mol. Panjang ikatan C-C yaitu 154 pm dan energi ikatan 377 kJ/mol (90 kcal/mol). Sudut ikatan 111,2° dan membentuk tetrahedral.

Ikatan rangkap karbon-karbon (C=C) terdiri atas satu ikatan sigma yang kuat dan satu Ikatan phi yang lemah. Jenis reaksi dimana ikatan phi yang lemah akan putus dan digantikan dengan ikatan sigma baru yang lebih kuat disebut dengan Reaksi Adisi. Berikut beberapa jenis reaksi adisi pembentukan ikatan tunggal C-C :

1. Adisi Elektrofilik Halogen (X⁺)

Ikatan karbon-karbon (C=C) yang kaya elektron bereaksi dengan elektrofil (penyuka elektron) akan menghasilkan produk adisi. Reaksi ini berlangsung melalui mekanisme polar dan melibatkan spesies-antara (intermediet) karbokation. Adisi dibantu oleh pelarut yang mendukung karbokation dan berlangsung tanpa sinar dan peroksida. 

X-Y merupakan halida, sulfenil klorida, asam protik, garam raksa dan sebagainya yang mengandung halogen. Adisi pereaksi X-Y pada alkena siklik dan asiklik biasanya terjadi secara stereokimia-trans. Namun dapat juga terjadi secara stereokimia-cis.

2. Adisi Nukleofilik Halogen (X^-)

Adisi Hidrogen Halida (HX) seperti HCl, HBr dan HI terjadi secara langsung pada alkena mengikuti hukum Markownikoff (untuk alkena tak-simetri). Hukum ini menyatakan bahwa : “di dalam adisi polar, bagian negatif (nukleofilik) akan mengadisi pada atom karbon yang mengandung atom hidrogen yang paling sedikit”.

Dimulai dengan adisi proton pada alkena menghasilkan karbokation 8 dan 9. Karbokation sekunder 8 lebih stabil daripada karbokation primer 9 sehingga nukleofil (X^-) menyerang karbokation sekunder menghasilkan produk akhir. Reaktivitas asam hidrogen halida meningkat dari HF < HCl < HBr < HI.

Halogen campuran seperti ICl, BrCl, dan BrF mengadisi ke alkena menurut hukum tersebut dengan asumsi bahwa komponen halogen bermuatan positif adalah yang bernomor atom lebih tinggi mengadisi pada ujung dipole.

3. Hidrasi Alkena

Air dapat mengadisi alkena dibawah pengaruh katalis asam. Proses ini adalah reversibel karena dehidrasi juga dikatalis oleh asam. Sehingga mekanisme untuk kedua arah reaksi adalah identik.

4. Adisi Nukleofilik Ke Dalam Ikatan C=C

Ikatan rangkap karbon-karbon (C=C) mengandung elektron phi yang kaya elektron sehingga mudah diserang oleh elektrofil (penyuka elektron). Akan tetapi, serangan oleh nukleofil bersifat sulit dan memerlukan aktivasi khusus. Salah satu cara untuk menurunkan kerapatan elektron pada gugus tersebut adalah melalui substitusi gugus penarik elektron seperti NO₂, CN dan COOR pada salah satu karbonnya.

Adisi nukleofil (Nu:^-) ke ikatan rangkap terjadi melalui urutan reaksi : nukleofil menyerang ke ikatan rangkap dalam tahap yang lambat menghasilkan karbanion (C^-) yang selanjutnya terprotonasi atau bergabung dengan spesies positif (H⁺) pada tahap akhir.

Elektrofil (E⁺) – Nukleofil (Nu:^-)

1. Substitusi Elektrofil

Secara khas, reagen yang bereaksi dengan cincin aromatik benzena dan turunannya adalah elektrofil. Elektrofil adalah molekul yang miskin elektron sehingga sangat menyukai elektron. Reaksi substitusi elektrofil hanya terjadi pada Aren (ArH). Ar mewakili gugus aril (aromatik). Gugus elektrofilik dari reagen akan menggantikan salah satu atom hidrogen dari cincin aril :

2. Substitusi Nukleofil (SN)

Pada alkil halida (R-X) yang merupakan molekul polar dengan atom karbon yang miskin elektron (elektrofil), dapat terjadi reaksi dengan nukleofil yang kaya elektron (seperti basa (ion OH^-)) melalui reaksi substitusi halida oleh nukleofil (SN) ataupun eliminasi (E) menghasilkan alkena. Nukleofil adalah molekul yang kaya elektron sehingga dapat mendonorkan PEB kepada elektrofil. 

Substitusi nukleofil (SN) terbagi menjadi SN₁ dan SN₂.

Reaksi SN₁ adalah reaksi substitusi nukleofilik unimolekul, yang terjadi melalui pembentukan tahapan intermediet berupa karbokation. Terjadi pada karbon tersier (3^o) yang memiliki halangan sterik. Contohnya pada reaksi 2-bromo-2-methylpropane dengan H₂O yang melewati 3 tahapan :

Substitusi Nukleofilik 1 (SN₁)

Tahap 1 :

Disosiasi spontan alkil bromida terjadi secara lambat untuk menghasilkan intermediet karbokation dan ion bromida.

Tahap 2 :

Intermediet karbokation bereaksi dengan H₂O (nukleofil) secara cepat untuk menghasilkan alkohol terprotonasi sebagai produk.

Tahap 3 :

Alkohol terprotonasi (pada intermediet) kehilangan protonnya sehingga memberikan produk akhir alkohol netral.

Substitusi Nukleofilik 2 (SN₂)

Reaksi SN₂ adalah reaksi substitusi nukleofilik bimolekul serentak yang melibatkan karbon elektrofilik, leaving groups (gugus tinggal) dan nukleofil (gugus bermuatan negatif). Elektron dari nukleofil akan berinteraksi dengan atom karbon (C), dan pada saat yang bersamaan leaving groups akan mengambil elektron ikatan antara karbon dan leaving groups tersebut sehingga ikatannya terlepas dan akhirnya karbon berikatan dengan nukleofil tersebut. Contohnya pada reaksi berikut :

PhCH₂ adalah karbon elektrofilik. -OSO₂CF₃ merupakan leaving groups. Dan -CN^- bertindak sebagai nukleofil.

Reaksi SN₂ hanya terjadi pada karbon hibridisasi sp³ (berikatan tunggal). Reaktivitas relatif karbon pada reaksi SN₂ adalah CH₃ > 1^o > 2^o karena adanya pengaruh ruang (sterik).

Question ???

1. Mengapa pengaruh gugus elektrofil pada alkena (alifatik) dan benzena berbeda? dimana pada alkena terjadi adisi sedangkan benzena terjadi substitusi atom H oleh elektrofil?

2. Bagaimana  tahap adisi nukleofil (Nu:^-) pada ikatan rangkap membentuk ikatan tunggal?

:)))

Carey, F.A. 2000. Organic Chemistry, Fourth Edition. USA : The McGraw-Hill Companies, Inc.

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

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