Reaksi Substitusi –Mekanisme SN2

Reaksi substitusi merupakan reaksi yang melibatkan penggantian atom atau gugus atom pada molekul dengan atom atau gugus atom lainnya. Reaksi substitusi umumnya terjadi pada senyawa jenuh (tunggal) tanpa terjadi perubahan ikatan karakteristik (tetap jenuh). Suatu reaksi subtitusi terjadi bila sebuah atom atau gugus yang berasal dari pereaksi menggantikan sebuah atom atau gugus dari molekul yang bereaksi. Substitusi dapat terjadi pada karbon jenuh maupun tidak jenuh. Terdapat dua jenis reaksi substitusi organik, yaitu Reaksi substitusi nukleofilik dan Reaksi substitusi elektrofilik

Contoh reaksi subtitusi :

1. Pembuatan alkil halide dari alcohol, gugus –OH oleh atom halogen.

               

CH₃CH₂Cl + H₂O  -> CH₃CH₂OH + HCl

2. Pembuatan alkil halida dari alkane, atom H diganti oleh atom halogen.

CH₃CH₂Cl + HCl  -> CH₃CH₃ + Cl₂

 

REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK (SN)

            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:

MEKANISME REAKSI SUBSTITUSI NUKLEOFILIK

Pada dasarnya mekanisme reaksi subtitusi untuk alkil halida dikenala mekanisme SN2 dan mekanisme SN1

A.  Mekanisme SN2

Jenis reaksi yang lebih berguna adalah reaksi subtitusi nukleofil bimilekuler atau disebut reaksi SN2.Simbol SN2 menunjukkan “subtitusi,nukleofil bimolekuler “.        Istilah bimolekuler akan  diterangkan pada saat membicarakan mekanisme dari reaksi ini.

Mekanisme SN2 adalah proses satu tahap. Mekanisme reaksi SN2 hanya terjadi pada alkil halida primer dan alkil halida sekunder. Nukleofil yang menyerang adalah jenis nukleofil kuat seperti OH, CN, CH₃O

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.

Adapun ciri reaksi SN2 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..

3. Jika substrat R-L bereaksi melalui mekanisme SN2, 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 SN2 terjadi pada alkil halida adalah: metil > primer > sekunder >> tersier.

Reaksi S_N2 sering kali terjadi pada pusat karbon sp³ alifatik dengan suatu gugus pergi yang bersifat stabil dan elektronegatif, menempel padanya (terkadang ditulis X), yang biasanya adalah suatu atom halida. Pemutusan ikatan C–X dan pembentukan ikatan baru (terkadang ditulis C–Y atau C–Nu) terjadi secara simultan melalui suatu keadaan transisi di mana suatu karbon yang menjadi target serangan nukleofilik adalah pentakoordinat, dan kira-kira terhibridisasi sp².

                                           

                                                               Substitusi nukleofilik pada karbo

 

                                          

Jika substrat yang menjadi target serangan nukleofilik besifat kiral, reaksi ini terkadang mengarah pada konfigurasi (stereokimia), yang disebut sebagai inversi Walden.

Sebagai contoh reaksi S_N2, penyerangan Br⁻ (nukleofil) pada suatu etil klorida (elektrofil) menghasilkan etil bromida, dengan klorida lepas sebagai gugus pergi: 

                                                                               

 

Penyerangan pada S_N2 dapat terjadi jika rute sisi belakang penyerangan tidak terdapat halangan sterik oleh substituen atau substrat. Karenanya, mekanisme ini biasanya terjadi pada suatu pusat karbon primer yang tak terhalang. Jika terdapat halangan sterik pada substrat dekat gugus pergi, seperti pada pusat karbon tersier, substitusi yang terjadi lebih disukai mengikuti mekanisme S_N1 dibandingkan S_N2, (S_N1 dapat pula disukai bila zat antara karbokation yang stabil dapat terbentuk)

 .    B. Mekanisme SN1

Mekanisme SN1 adalah proses dua tahap. Mekanisme reaksi SN1 hanya terjadi pada alkil halide tersier. Nukleofil yan dapat menyerang adalah nukleofil basa sangat lemah, seperti : H2O, CH3CH2OH. Terdiri dari tiga tahap reaksi.

 

Tahap 1:

 

Tahap 2:

 

Tahap 3:

 

    

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

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.

Berikut ini adalah ciri-ciri suatu reaksi yang berjalan melalui mekanisme SN1:

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 a 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.

X yang melalui mekanisme SN1 akan berlangsung cepat jika R merupakan struktur tersier, dan lambat jika R adalah struktur primer. Hal ini sesuai dengan urutan kestabilan ion karbonium, 3o-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 > 2o >> 1o.

Pada tahap pertama dalam mekanisme SN1 adalah tahap pembentukan ion, sehingga mekanisme ini dapat berlangsung lebih baik dalam pelarut polar. Jadi halida sekunder yang dapat bereaksi melalui kedua mekanisme tersebut, kita dapat mengubah mekanismenya dengan menyesuaikan kepolaran pelarutnya.

PERBANDINGAN MEKANISME S_N1 DAN S_N2

	SN2	SN1
Stuktur Halida Primer atau CH3 sekunder tersier	Terjadi Kadang – kadang Tidak	Tidak Kadang – kadang Terjadi
Stereokimia	Pembalikan	Rasemisasi
Nukleofil	Kecepatan bergantung pada konsentrasi nukleofil, mekanisme memilih nukleofil anion	Kecepatan tidak bergantung pada konsentarsi nukleofil, mekanisme memilih nukleofil netral
Pelarut	Kecepatan sedikit dipengaruhi kepolaran pelarut	Kecepatan sangat dipengaruhi kepolaran pelarut

 

Permasalahan:

1.Mengapa  Laju reaksi yang mengikuti mekanisme SN2 terutama disebabkan oleh faktor  sterik dan bukan ditimbulkan oleh faktor polaritas?

2. Mengapa jika terdapat halangan sterik pada substrat dekat gugus pergi, seperti pada pusat karbon tersier, substitusi yang terjadi lebih disukai mengikuti mekanisme S_N1 dibandingkan S_N2,?

3. Jika kita mereaksikan (R)-2-bromobutana dengan natrium hidroksida, akan diperoleh (S)-2-butanol.Ion hidroksida menyerang dari belakang ikatan C-Br.  Apa penyebabnya pada saat substitusi terjadi, ketiga gugus yang terikat pada karbon sp3 kiral itu seolah-olah terdorong oleh suatu bidang datar sehingga membalik?

Mohon bantuannya ya teman-teman sekalian :)

Sumber:

Fessenden,Ralp j.1986,Kimia Organik,Jakarta:Erlangga

Fessenden, Ralp.j. dan Joan S.Fessenden.2012.Dasar-dasar Kimia Organik.Jakarta:Binarupa    Aksara

https://id.wikipedia.org/wiki/Reaksi_SN2