Pembentukan Ikatan C-C, Penyerangan Elektrofilik dan Nukleofilik

Dalam berikatan sesama atom karbon terdapat tiga kemukinan, pertama membentuk ikatan tunggal, ikatan rangkap dua dan ikatan rangkap tiga. Senyawa dengan ikatan tunggal disebut dengan senyawa hidrokarbon jenuh. 

Adapun panjang ikatan tunggal C–C adalah 0,154 nm. Ikatan karbon-karbon adalah ikatan kovalen antara dua atom karbon. Bentuk yang paling umum adalah ikatan tunggal: ikatan yang tersusun atas dua elektron, satu dari masing-masing dua atom. Ikatan tunggal karbon-karbon adalah ikatan sigma dan dikatakan terbentuk dari satu orbital hibrid dari masing-masing atom karbon. Dalam hal ini Etana, C₂H₆, merupakan contoh paling sederhana dari molekul yang mengandung ikatan karbon-karbon. 

Percabangan juga sering terjadi pada C-C kerangka. Atom karbon yang berbeda dapat diidentifikasi sehubungan dengan jumlah karbon tetangga:

1)                       atom karbon primer: satu atom karbon tetangga

2)                       atom karbon sekunder: dua atom karbon tetangga

3)                       tersier atom karbon: tiga atom karbon tetangga

4)                       kuartener atom karbon: empat atom karbon tetangga

Pembentukan Ikatan C-C

1 .     Melalui reaksi radikal bebas

Tidak terkendali, dapat melakukan reaksi berantai (tidak digunakan dalam sintesis).

2 .    Melalui reaksi antara C⁺ dengan C^-

Lebih terkendali (digunakan dalam sintesis).

Contoh lain reaksi yang membentuk ikatan karbon-karbon adalah reaksi Aldol, reaksi Diels-Alder, penambahan reagen Grignard ke grup karbonil, reaksi Heck, reaksi Michael dan reaksi Wittig.

Nukleofil dan elektrofil

Pada proses heterolisis akan terjadi nukleofil dan elektrofil.

a. Nukleofil adalah spesies (atom / ion/ molekul) yang kaya elektron, sehingga dia tidak

suka akan elektron tetapi suka akan nukleus (inti yang kekurangan elektron).

Contoh nukleofil:

b. Elektrofil adalah spesies (atom / ion / molekul) yang kekurangan elektron, sehingga

ia suka akan elektron.

Contoh elektrofil:

Menurut konsep asam basa Lewis nukleofil adalah suatu basa, sedangkan elektrofil adalah suatu asam. Reaksi senyawa karbon pada dasarnya adalah reaksi antara suatu nukleofil dengan suatu elektrofil.

Reaksi Substitusi

            Reaksi substitusi terjadi apabila sebuah atom atau gugus yang berasal dari pereaksi menggantikan sebuah atom atau gugus dari molekul yang bereaksi. Reaksi substitusi dapat terjadi pada atom karbon jenuh atau tak jenuh.

1. Reaksi substitusi nukleofilik

            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. Bagian SN menunjukkan substitusi nukleofilik, sedangkan arti 1 dan 2 akan dijelaskan kemudian.

A. Reaksi SN1 Mekanisme SN1 dalah proses dua tahap. Pada tahap pertama, ikatan antarakarbon 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 

            Pada mekanisme SN1, substitusi terjadi dalam dua tahap. Notasi 1 digunakan sebab pada tahap lambat hanya satu dari dua pereaksi yang terlibat, yaitu substrat. Tahap ini sama sekali tidak melibatkan nukleofil. 

B. Reaksi SN2 Mekanisme SN2 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. Notasi 2 menyatakan bahwa reaksi adalah bimolekuler, yaitu nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi dalam mekanisme reaksi. 

2. Reaksi substitusi elektrofilik

            Benzena memiliki rumus molekul C6H6, dari rumus molekul tersebut seyogyanya benzena termasuk golongan senyawa hidrokarbon tidak jenuh. Namun ternyata benzena mempunyai sifat kimia yang berbeda dengan senyawa hidrokarbon tidak jenuh. Beberapa perbedaan sifat benzena dengan senyawa hidrokarbon tidak jenuh adalah diantaranya bahwa benzena tidak mengalami reaksi adisi melainkan mengalami reaksi substitusi. Pada umumnya reaksi yang terjadi terhadap molekul benzena adalah reaksi substitusi elektrofilik, hal ini disebabkan karena benzena merupakan molekul yang kaya elektron. Ada 4 macam reaksi substitusi elektrofilik terhadap senyawa aromatik,

y a i t u :

Pada reaksi substitusi elektrofilik dikenal empat macam mekanisme yaitu: S_E1, S_E2 (depan), S_E2 (belakang) dan S_Ei. S_E1 adalah substitusi elektrofilik unimolekuler sedangkan S_E2 dan S_Ei adalah substitusi elektrofilik bimolekuler.

1. Mekanisme substitusi elektrofilik unimolekuler (S_E1)

            Mekanisme reaksi substitusi elektrofilik unimolekuler (S_E1) terdiri dari dua tahap, yaitu tahap ionisasi yang berlangsung lambat dan merupakan tahap penentu laju reaksi, dan tahap penggabungan karbanion dengan elektrofil yang berlangsung cepat.

                                  lambat

Tahap 1.          R-X                          R^- :      +          X⁺

                                                                   cepat

Tahap 2.          R^- :   +      Y⁺                               R – Y

                                     Elektrofil

            Produk reaksi yang mengikuti mekanisme S_E1 dapat menghasilkan produk dengan mempertahankan konfigurasi semula (retensi), atau rasemisasi, atau pembalikan konfigurasi (inversi) sebagian, tergantung pada faktor-faktor kestabilan karbanion, konsentrasi elektrofil, kekuatan elektrofil, dan konfigurasi karbanion.

2. Mekanisme substitusi elektrofilik bimolekuler (S_E2 dan S_Ei)

            Mekanisme reksi substitusi elektrofilik bimolekuler pada senyawa alifatik terjadi melalui pemutusan ikatan antara gugus pergi dengan substrat dan pembentukan ikatan baru antara elektrofil dengan substrat berlangsung dalam waktu yang bersamaan. Kebanyakan reaksi substitusi elektrofilik bimolekuler (orde kedua) menghasilkan produk dengan mempertahankan konfigurasi semula. Hal ini berarti bahwa pada umumnya reaksi berlangsung dengan mekanisme dimana elektrofil menyerang substrat dari arah depan, S_E2 (depan) atau S_Ei.

            Kenyataan ini berlawanan dengan mekanisme S_N2. Pada mekanisme S_N2, nukleofil menyerang atom karbon yang mengikat gugus pergi, sedangkan pada mekanisme S_E2 elektrofil menyerang elektron yang mengikat atom karbon dan gugus pergi. Oleh karena itu reaksi berlangsung lebih cepat jika elektrofil menyerang substrat dari sisi yang sama dengan kedudukan gugus pergi daripada sebaliknya karena adanya halangan sterik.

Reaksi Adisi

            Reaksi adisi terjadi pada senyawa tak jenuh. Molekul tak jenuh dapat menerima tambahan atom atau gugus dari suatu pereaksi. Dua contoh pereaksi yang mengadisi pada ikatan rangkap adalah brom dan hidrogen. Adisi brom biasanya merupakan reaksi cepat, dan sering dipakai sebagai uji kualitatif untuk mengidentifikasi ikatan rangkap dua atau rangkap tiga. Reaksi adisi secara umum dapat digambarkan sebagai berikut:

1. Adisi elektrofilik

Tahap reaksi adisi elektrofilik adalah:

􀀭 Tahap 1: serangan terhadap elektrofil E+ yang terjadi secara lambat,

􀀭 Tahap 2 : serangan nukleofil terhadap karbonium,

Sebagai contoh apabila etena bereaksi dengan HBr , mekanisme reaksi mengikuti langkah sebagai berikut:

2. Adisi nukleofilik

Tahap reaksi adisi nukleofilik adalah:

Adisi nukleofilik ini khusus untuk HX terhadap senyawa C = C – Z, dimana Z adalah CHO, COR, COOR, CN, NO2, SO2R, gugus ini mendominasi delokalisasi elektron pada senyawa intermediet.

Pertanyaan:

1.   Sebutkan reaksi yang dapat membetuk ikatan karbon-karbon(C-C)?

2.   Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi S_N1 dan S_N2? 
3. Bagaimana perbedaan laju reaksi dan produk yang dihasilkan antara mekanisme substitusi elektrofilik unimolekuler(S_E1)dan bimolekuler(S_E2)?

Sumber:

Fessenden dan Fessenden. 1986. Kimia Organik Jilid I. Jakarta : Erlangga.

https://www.academia.edu/8733206/SUBSTITUSI_NUKLEOFILIK_ALIFATIK.

http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/tmp/PENGGOLONGAN%20SENYAWA%20ORGAN        IK%20DAN%20DASAR-DASAR%20REAKSI.pdf.

http://tekim.undip.ac.id/staf/ratnawati/files/2011/09/BAB-4-REAKTIVITAS-DAN-MEKANISME.pdf.