Mekanisme Reaksi Pada Senyawa Organik (Substitusi Nukleofilik)

Substitusi nukleofilik yang paling sederhana pada cincin aromatic, seperti pada penggantian bromide dari bromobenzena dengan ion hidroksida, tidak dapat terjadi.

Perhatikanlah-mekanisme reaksi ini salah! Tidak ada reaksi yang tepat. Kau mungkin akan bertanya, “mengapa tidak?” reaksinya terlihat benar, dan jika cincin dijenuhkan, reaksinya memang benar.

Reaksi ini adalah reaksi SN2, dan kita tahu bahwa serangan yang terjadi pada ikatan C-Br harus terjadi dari belakang, dimana cuping yang paling besar dari orbital σ* berada. Reaksi ini benar untuk cincin alifatik karena atom karbonnya adalah tetrahedral dan ikatan C-Br tidak berada sebidang dengan cincin. Substitusi pada bromine ekuatorial berjalan sebagai berikut:

Tapi pada senyawa aromatic, ikatan C-Br berapa sebidang dengan cincin dengan atom karbon trigonal. Untuk menyerang dari belakang, nukleofil harus menyerang dari cincin benzene dan menginversi atom karbon dengan jalan yang tidak masuk akal. Reaksi ini tidak mungkin terjadi!

Ini contoh lain pada aturan umum.
Jika SN2 tidak mungkin, bagaimana dengan SN1? Hal ini mungkin saja, namun berlangsung kurang baik. Reaksi ini harus melibatkan pelepasan gugus pergi dengan sendirinya dan pembentukan kation aril. Semua kation yang telah kita jumpai dalam reaksi SN1 berbentuk planar dengan orbital p kosong. Kation ini planar, namun orbital p-nya penuh karena menjadi bagian dalam cincin aromatic, dan orbital kosong adalah orbital sp2 yang berada di bagian luar cincin.

Meskipun dalam faktanya, hanya gugus pergi yang paling baik, yaitu molekul N2, yang dapat menjalani reaksi SN1.


SUBSTITUSI NUKLEOFILIK AROMATIK (MEKANISME ADISI-ELIMINASI)

Bayangkan suatu siklik β-fluoro-enon bereaksi dengan amina sekunder dalam reaksi substitusi konjugasi. Produk diperoleh melalui reaksi adisi untuk membentuk enolat, diikuti oleh kembalinya muatan negatif untuk melepas ion fluorida.

Sekarang bayangkan juga pada reaksi yang sama dengan dua tambahan ikatan rangkap pada cincin. Substitusi konjugasi menjadi substitusi aromatic nukleofilik.

Mekanisme ini disertai oleh adisi pada nukleofil diikuti oleh eliminasi gugus pergi, inilah yang disebut mekanisme adisi-eliminasi. Tidak hanya gugus karbonil – setiap gugus penarik elektron dapat melakukannya. Syaratnya hanyalah bahwa elektron harus dapat keluar dari cincin menuju gugus penstabil anion. Berikut adalah contoh gugus nitro yang berada pada posisi para.

Hal-hal yang mempengaruhi berlangsungnya reaksi ini ialah Nukleofil (OH-), gugus pergi (Cl-), gugus penstabil anion (NO2), dan posisi para-. Nukleofilnya adalah nukleofil yang baik, muatan negatif dapat didorong melewati atom oksigen pada gugus nitro, dan klorida adalah gugus pergi yang baik.
Tipe substitusi nukleofilik aromatic harus mempunyai:
- nukleofilik oksigen, nitrogen atau sianida
- gugus pergi berupa halide
- gugus karbonil, nitro atau sianida berada pada posisi orto atau para terhadap gugus pergi.

a. Posisi Gugus Penstabil Elektron Terhadap Calon Gugus Pergi
Gugus penstabil elektron, seperti nitro atau karbonil dalam anion, harus berada pada posisi orto atau para untuk memberikan efeknya. Ilustrasi yang baik tentang ini digambarkan pada penggantian selektif satu dari dua gugus klorin, dimana yang lepas adalah klorin yang berada pada posisi orto, sedangkan pada posisi meta tidak dilepaskan.

Mekanismenya berjalan baik jika kita menyerang pada klorin dengan posisi orto yang kemudian muatan negatifnya dapat didorong masuk ke gugus nitro. Dan hal ini tidak dapat dilakukan jika kita menyerang klorin pada posisi yang lain.

b. Gugus Pergi dan Mekanismenya
Sebelumnya kita telah menunjukkan substitusi nukleofilik aromatic dengan florida sebagai gugus pergi. Florida bekerja dengan baik sebagai gugus pergi, demikian halnya pada senyawa 2-nitro-fluorobenzena yang bereaksi baik dengan berbagai nukleofil, contohnya:

Reaksi yang sama terjadi dengan 2-nitrohalobenzena lainnya, namun kurang efektif. Senyawa fluoro bereaksi sekitar 102-103 kali lebih cepat dari senyawa kloro- atau bromo-, dan iodo- bereaksi lebih lambat.

Hal ini seharusnya mengherankan. Ketika kita mengamati substitusi nukleofilik lain seperti pada gugus karbonil atau pada karbon jenuh, kita tidak pernah menggunakan fluorida sebagai gugus pergi! Ikatan C-F sangat kuat – paling kuat dari semua ikatan tunggal dengan karbon – dan ikatan ini sulit dilepaskan.
Jadi mengapa fluorida lebih baik digunakan dalam substitusi nukleofilik aromatic dan mengapa fluorida bereaksi lebih cepat dari pada halogen lainnya? Kita tidak mengatakan bahwa fluorida adalah gugus pergi yang lebih baik dalam substitusi nukleofilik aromatik. Penjelasannya bergantung dari pemahaman kita terhadap mekanisme reaksi.

Mekanisme yang telah kita pelajari sebelumnya bahwa reaksi ini berlangsung 2 tahap, adisi dan eliminasi. Dalam mekanisme dua-tahap, satu tahap lebih lambat dan merupakan tahap penentu kecepatan. Tahap lainnya tidak begitu mempengaruhi kecepatan. Kamu mungkin menebak bahwa, dalam mekanisme substitusi nukleofilik aromatic, tahap pertamalah yang lebih lambat karena pada tahap ini terjadi penggangguan aromasitas. Tahap kedua mengembalikan aromasitas dan berjalan lebih cepat. Pengaruh dari fluorida, atau gugus pergi lainnya, semestinya ada pada tahap pertama. Seberapa baik gugus pergi itu lepas, bukan menjadi masalah. Kecepatan pada tahap kedua – tahap dimana fluorida lepas – tidak memberikan pengaruh berarti pada kecepatan reaksi.

Fluorida, pada faktanya, memperlambat tahap kedua (dibandingkan dengan Cl-), tapi mempercepat tahap pertama oleh efek induksinya yang besar. Fluor adalah atom yang paling elektronegatif dan menstabilkan intermediate anionic, membantu penerimaan elektron oleh cincin benzene.

c. Pengaktifan Substituent Penstabil-Anion
Gugus nitro adalah gugus terbaik dalam menstabilkan intemediat anionic. Gugus penstabil lainnya termasuk karbonil, sianida, dan gugus yang mengandung sulfur seperti sulfoksida dan sulfona.
Berikut diberikan perbandingan kecepatan untuk reaksi yang sama tapi dengan gugus pengaktif yang berbeda. Mekanisme tiap reaksi sama, yang berbeda hanyalah kekuatan penarik elektron dari gugus pengaktif. Kita telah mengetahui bahwa tahap pertama adalah tahap penentu laju reaksi. Symbol Z mewakili gugus penstabil-anion. Nilai kecepatan relatif dibandingkan dengan Z sebagai nitro.



Tiap senyawa bereaksi lebih lambat dari senyawa yang mengandung gugus nitro.

Posted in: Materi Pengayaan (kimia organik)