Reaksi
substitusi nukleofilik adalah reaksi yang terjadi antara alkil halida dengan
suatu nukleofil yang menyerang atom karbon pengikat gugus halogen. Reaksi ini
menyebabkan gugus halogen terlepas dari alkil, kemudian alkil akan berikatan
dengan nukleofil. Gugus halogen yang terlepas disebut gugus pergi. Pada reaksi
substitusi nukleofilik atom/ gugus yang diganti mempunyai elektronegativitas
lebih besar dari atom C, dan atom/gugus pengganti adalah suatu nukleofil, baik
nukleofil netral atau nukleofil yang bermuatan negatif.
Reaktivitas
relatif dalam reaksi substitusi nukleofilik dipengaruhi oleh reaktivitas
nukleofil, struktur alkilhalida dan sifat dari gugus terlepas. Reaktivitas
nukleofil dipengaruhi oleh basisitas, kemampuan mengalami polarisasi, dan
solvasi.
Reaksi
Substitusi Nukleofilik Pada dasarnya terdapat dua mekanisme reaksi substitusi
nukleofilik. Mereka dilambangkan dengan SN2 adan SN1.
Ada 2 jenis reaksi substitusi yaitu:
1.
Subtitusi
Nukleofilik (SN 1)
SN 1 ditandai dengan reaksi yang melalui jalur
karbokation. Oleh karena itu, “gugus pergi “ (leaving group)
haruslah terikat pada karbo tersier atau sekunder untuk menstabilkan zat
intermediate nya. Dampak lain pada reaksi SN 1 memungkinkan
terjadinya pergeseran hidrida dan metida.
2.
Substitusi
Nukleofilik (SN2)
Pada reaksi SN2, “gugus pergi” (gugus umum yang biasa adalah halida atau
tosilat) diganti dengan suatu nukelofil. Reaksi ini bekerja paling
baik pada metil dan halida primer karena alkil halida yang mengandung banyak
cabang dapat menghalangi serangan Nukelofil dari belakang. Pada halida
sekunder dan tersier reaksi SN2 sulit terjadi.
Di dalam reaksi heterosiklik, umumnya pereaksi yang membawa pasangan
elektron ke substrat atau mengambil elektron dari substrat. Pereaksi yang
membawa pasangan elektron disebut nukleofil dan reaksinya disebut nukleofilik.
Pereaksi yang mengambil pasangan elektron disebut elektrofil dan
reaksinya disebut elektrofilik. Di dalam suatu reaksi di mana substrat
terbelah, bagian yang tidak mengandung karbon biasa disebut gugus pergi (leaving
group).
1. Gugus pergi
Gugus pergi adalah gugus apa saja yang mudah diputus dari ikatannya dengan
suatu atom karbon. Gugus-pergi yang membawa pergi elektron disebut nukleofugal,
dan gugus-pergi yang tanpa membawa elektron disebut elektrofugal.
Sifat gugus
pergi:
Ø Gugus pergi yang baik adalah anion stabil (basa
konjugat) dan turunan dari asam kuat. Gugus pergi yang baik biasanya adalah
basa lemah.
Contoh:
-
Ion halida yaitu I-, Cl-, Br-.
Ø gugus pergi yang buruk adalah gugus –OH pada alcohol
sehingga tidak bias digantikan oleh Nukleofil sehingga harus diubah menjadi
gugus lain seperti:
Kemungkinan suatu gugus digantikan oleh gugus lain
tergantung pada kebasaan relatif dari kedua gugus. Semakin lemah kebasaan
suatu gugus, kemampuan untuk pergi lebih baik. Basa lemah adalah yang baik
karena basa lemah tidak bisa berbagi elektron mereka seperti yang dilakukan
oleh basa kuat. Nilai pKa asam konjugasi dari gugus pergi berbagai senyawa
karbonil tercantum pada Tabel berikut. Perhatikan bahwa kelompok asil Kelas I
senyawa karbonil melekat pada basa lemah dibanding kelompok asil senyawa
karbonil Kelas II. Semakin rendah nilai pKa, berarti semakin asam dan makin
lemah basa konjugasinya.
Tabel 1. Nilai pKa asam konjugat dari gugus pergi
senyawa karbonil
Kita akan melihat bahwa senyawa mengalami reaksi substitusi karena mereka
memiliki gugus asil yang melekat pada gugus yang dapat digantikan oleh
nukleofil. Aldehida dan keton memiliki gugus asil yang melekat pada gugus yang
tidak dapat digantikan oleh nukleofil, maka senyawa ini tidak mengalami reaksi substitusi,
melainkan reaksi adisi nukleofilik.
2. Gugus Tetangga
Pada reaksi substitusi nukleofilik,
partisipasi gugus tetangga didefinisikan sebagai gugus yang memberikan suatu
reaksi intermediate yang baru pada pusat reaksi. Untuk reaksi substitusi
seperti dibawah, X sebagai gugus tetangga berperan dalam penyerangan
nukleofilik intramolekul sehingga melepaskan Y sebagai gugus pergi, yang
kemudian diikuti oleh substitusi intermolekul.
Hasil dari partisipasi ini ialah
pembentukan produk substitusi dengan konfigurasi yang berlawanan dengan
konfigurasi yang seharusnya terjadi pada SN2, dimana reaksi SN2
pada umumnya membentuk konfigurasi yang berlawanan dengan substrat. 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”. Peningkatan
kecepatan reaksi dengan adanya partisipasi gugus tetangga diketahui dengan
membandingkan laju reaksi suatu senyawa yang memiliki gugus tetangga dengan
reaksi yang sama pada senyawa analog yang tidak memiliki gugus tetangga.
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.
a.
Pengaruh Oksigen Sebagai Gugus
Tetangga
Contoh pengaruh oksigen ialah pada
substitusi basa dari 1,2-klorohidrin menghasilkan 1,2-diol dengan konfigurasi
yang tidak berubah.
Serangan awal dilakukan oleh basa
pada pembentukan anion alkoksida, dilanjutkan dengan serangan internal oleh RO-
dan menghasilkan epoksida dengan inversi konfigurasi pada C*. Atom karbon ini
selanjutnya menjalani reaksi SN2 oleh serangan OH-,
dengan inversi konfigurasi yang kedua pada C*. Anion alkoksida yang kedua ini
mengabstraksi proton dari pelarut untuk membentuk produk 1,2-diol dengan
konfigurasi yang sama dengan substrat.
Contoh lain dari partisipasi oksigen
sebagai gugus tetangga ialah pada hidrolisis anion 2-bromopropanoat dengan
konsentrasi OH- yang rendah, juga diperoleh hasil dengan konfigurasi yang tidak
berubah. Kecepatan reaksi tidak bergantung dari konsentrasi OH-, dan
mekanismenya ialah :
b.
Partisipasi Nitrogen Sebagai Gugus
Tetangga
Partisipasi nitrogen sebagai gugus
tetangga dapat terjadi dalam bentuk aminanya, seperti reaksi substitusi senyawa
amina di bawah ini:
Kinetika reaksi diatas merupakan
reaksi orde satu. Kecepatan reaksi tergantung hanya pada konsentrasi substrat
tapi tidak pada nukleofiliknya. Hal ini mengherankan, dimana substitusi
nukleofilik atom karbon primer SN2 kecepatan reaksinya tergantung pada
konsentrasi substrat dan nukleofilik. Tetapi dengan adanya partisipasi gugus
tetangga mengakibatkan kecepatan reaksinya hanya bergantung kepada konsentrasi
substratnya saja.
c.
Pengaruh Gugus Orto Intramolekul
Dengan adanya dua substituent pada
benzene dengan posisi orto, dimana substituent pertama mengandung gugus pergi,
dan substituen kedua mengandung gugus yang berpartisipasi sebagai gugus
tetangga, maka dapat terbentuk senyawa intermediate melalui partisipasi gugus
orto intramolekul.
Pertanyaan:
1. Mengapa
pada reaksi SN 1 gugus pergi haruslah terikat pada karbo tersier atau sekunder?
2. Apa yang dihasilkan dari partisipasi gugus tetangga?
3. Bagaimana kehadiran gugus tetangga memberikan pengaruh terhadap reaksi substitusi
nukleofilik?
4. Apa yang memungkinkan suatu gugus digantikan oelh gugus lain? Dan mengapa
basa lemah dianggap sebagai gugus pergi yang baik dan basa kuat dianggap sebagai gugus pergi yang
buruk?
Sumber:
Fessenden dan Fessenden. 1986. Kimia Organik Jilid
I. Jakarta : Erlangga.
http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/tmp/PENGGOLONGAN%20SENYAWA%20ORGAN IK%20DAN%20DASAR-DASAR%20REAKSI.pdf.
