Reaksi Substitusi

Substitusi Nukleofilik

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:

Gugus pergi merupakan basa lemah

Reaktivitas:   R-I  >  R-Br  >  R-Cl  >>  R-F

Jenis Nukleofil :

a.      Anions

b.      Species netral

Nukleofilisitas 

Nu sangat baik            :           I^–, HS^–, RS^–, H₂N^–

Nu baik                       :           Br^–, HO^–, RO^–, CN^–, N₃^–

fair Nu                         :           NH₃, Cl^–, F^–, RCO₂^–

Nu buruk                     :           H₂O, ROH

Nu sangat buruk          :           RCO₂H

Mekanisme Substitusi Nukleofilik

Pada dasarnya terdapat dua mekanisme reaksi substitusi nukleofilik. Mereka dilambangkan dengan S_N² adan S_N¹. 

Mekanisme S_N2

Mekanisme S_N2 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.

Adapun ciri reaksi S_N2 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 S_N2 memberikan hasil inversi.

Jika substrat R-L bereaksi melalui mekanisme S_N2, 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 S_N2 terjadi pada alkil halida adalah: metil > primer > sekunder >> tersier.

Mekanisme serentak (Hughes-Ingold)

      Nukleofil (ion hidroksida) menyumbang sepasang elektron bebas melalui serangan dari arah belakang pada orbital anti ikatan dari atom C_α pada substrat (metil klorida)

Inversi (pembalikan) konfigurasi Walden

Contoh 1

Contoh 2

Mekanise S_N1

Mekanisme S_N1 dalah proses dua tahap. Pada tahap pertama, ikatan antara karbon 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.

Reaksi S_N1 antara molekul A dan nukleofil B memiliki tiga tahapan:

1.  Pembentukan sebuah karbokation dari A dengan pemisahan gugus lepas dari karbon; tahap ini berjalan dengan lambat dan reversibel

2.  Serangan nukleofilik: B bereaksi dengan A. Jika nukleofil tersebut adalah molekul netral (contoh: pelarut), tahap ketiga diperlukan agar reaksi ini selesai. Jika pelarutnya adalah air, maka zat antaranya adalah ion oksonium.

3.  Deprotonasi : Penyingkiran proton pada nukleofil yang terprotonasi oleh ion ataupun molekul di sekitar

Berikut ini adalah ciri-ciri suatu reaksi yang berjalan melalui mekanisme S_N1:

1. Kecapatan 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 tiga 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 adalah campuran rasemik.

Reaksi substrat R-X yang melalui mekanisme S_N1 akan berlangsung cepat jika R merupakan struktur tersier, dan lambat jika R adalah struktur primer.  Hal ini  sesuai dengan urutan kestabilan ion karbonium, 3^o > 2^o >> 1^o.

Perbandingan Mekanisme S_N1 dan S_N2

      Halida primer selalu bereaksi melalui mekanisme S_N2, sedangkan halida tersier melalui mekanisme S_N1. Pada halida sekunder, terdapat dua kemungkinan.

Berikut ini ada beberapa petunjuk yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu nukleofil adalah kuat atau lemah

Ion nukleofil bersifat nukleofil. Anion adalah pemberi elektron yang lebih baik daripada molekul netralnya.

Unsur yang berada pada periode bawah dalam tabel periodik cenderung merupakan nukleofil yang lebih kuat daripada unsur yang berada dalam periode di atasnya yang segolongan

Ada periode yang sama, unsur yang lebih elektronegatif cenderung merupakan nukleofil lebih lemah (karena ia lebih kuat memegang elektron).

Karena C dan N berada dalam periode yang sama, tidak mengherankan jika pada ion ^-:C-N: , yang bereaksi adalah karbon, karena sifat nukleofilnya lebih kuat.

Kinetika

Contoh: CH₃I + OH^– ® CH₃OH + I^–

              V = k[CH₃I][OH^–], bimolekular

                        \ Kedua spesi terlibat dalam tahap penentu laju reaksi

            Reaktivitas:   R-I  >  R-Br  >  R-Cl  >>  R-F

                         \ Pemutusan ikatan C-X terlibat dalam penentu laju reaksi

            Þ serentak, mekanisme satu tahap

Postulat Hammond 

       

        Menjelaskan hubungan antara stabilitas karbokation dengan kecepatan reaksi dengan cara melihat tingkat energi dan struktur transition state. Transition state merepresentasikan energi maksimum. Mereka memiliki energi aktivasi yang tinggi dan segera membentuk spesies yang stabil. Bentuk transition state tidak dapat diisolasi, karena memiliki umur yang sangat singkat, postulat Hammond menyatakan bahwa kita dapat menggambarkan bentuk transition state dengan menggambar bentuk yang paling mendekati dengan struktur yang paling stabil. 

Referensi :

Allinger N. L., et al, 1976, Organic Chemistry, 2^nd Edition, Worth Publishers, Inc., New York.

Hart, H., Organic Chemistry – a short Course, 5^th Edition, Diterjemahkan oleh Achmadi S., 1983, 

Kimia Organik – Suatu Kursus Singkat, Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta.

McMurry, M., 1988, Organic Chemistry, 2^nd Edition, Brooks/Cole Publishing Company, California.

Pertanyaan :
1. Mengapa karbokation yang lebih stabil akan menghasilkan produk dengan lebih cepat?

2. Mengapa karbokation yang lebih tersubstitusi lebih stabil?

3. Mengapa serangan Nu pada trigonal planar bisa dari atas dan bawah?