KIMIA ORGANIK II

PERTEMUAN II : Mekanisme Reaksi Substitusi Nukleofilik S_N2

           Sebelum kita masuk ke pembahasan tentang mekanisme reaksi substitusi nukleofilik S_N2, saya akan membahas sedikit tentang sejarah dari penemuan reaksi substitusi nukleofilik.

Sejarah Penemuan Reaksi Substitusi Nukleofilik

Reaksi S_N2 menyebabkan inversi konfigurasi stereokimia, yang dikenal sebagai inversi Walden. Inversi Walden adalah inversi pusat kiral dalam molekul dalam suatu reaksi kimia. Karena sebuah molekul dapat membentuk dua enansiomer di sekitar pusat kiral, inversi Walden mengubah konfigurasi molekul dari satu bentuk enansiomer ke yang lainnya. Misalnya, dalam reaksi S_N2, inversi Walden terjadi pada atom karbon tetrahedral. Itu dapat divisualisasikan dengan membayangkan sebuah payung yang dibalikkan keluar dalam badai. Dalam inversi Walden, serangan bagian belakang oleh nukleofil dalam reaksi S_N2 menimbulkan produk yang konfigurasinya berlawanan dengan reaktan. Oleh karena itu, selama reaksi S_N2, 100% inversi produk terjadi. Ini dikenal sebagai inversi Walden.

Inversi ini pertama kali diamati oleh ahli kimia yaitu Paul Walden pada tahun 1896. Dia mampu mengubah satu enansiomer dari senyawa kimia menjadi enansiomer lainnya dan kembali lagi dalam siklus Walden yang disebut seperti ini: (+) asam klorosuksinat (1 dalam skema 1) diubah menjadi (+) asam malat 2 melalui aksi perak oksida dalam air dengan retensi konfigurasi, pada langkah berikutnya gugus hidroksil digantikan oleh klorin ke isomer lain asam klorosuksinat 3 melalui reaksi dengan fosfor pentaklorida, sedetik reaksi dengan perak oksida menghasilkan (-) asam malat 4 dan akhirnya reaksi kedua dengan PCl₅ mengembalikan siklus ke titik awal.

                   

Dalam reaksi ini oksida perak pada langkah pertama bertindak sebagai donor hidroksida dan ion perak bereaksi dengan hidrogen yang dilepaskan untuk mengeluarkannya dari larutan, membuat reaksi tersebut pada dasarnya dapat dibalik. Zat antara karboksil dianion A yang memberikan substitusi nukleofilik intramolekul untuk cincin β-lakton beranggotakan empat. Kelompok karboksil lainnya juga reaktif tetapi dalam data silico menunjukkan bahwa keadaan transisi untuk pembentukan α- beranggota lima lakton yang sangat tinggi. Cincin ion hidroksil membuka kembali lakton ke alkohol C dan efek bersih dari dua jumlah inversi adalah retensi konfigurasi.

Reaksi Substitusi Nukleofilik S_N2

Selanjutnya setelah membahas tentang sejarah dari penemuan reaksi substitusi nukleofilik, kita akan membahas mengenai reaksi Substitusi Nukleofilik S_N2. Berdasarkan pereaksi yang digunakan, reaksi subsitusi itu sendiri terbagi menjadi 3 tipe yaitu : reaksi substitusi radikal bebas, reaksi subsitusi Nukleofilik dan reaksi subsitusi elektrofilik. Namun pada postingan ini akan membahas mengenai reaksi Subsitusi Nukleofilik. Pada dasarnya yang dimaksud dengan reaksi Subsitusi adalah suatu reaksi  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. Sedangkan yang dimaksud dengan reaksi Subsitusi Nukleofilik adalah Reaksi Subsitusi Nukleofilik terjadi apabila 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.

Reaksi Subsitusi Nukleofilik merupakan suatu reaksi dimana satu atom, ion atau gugus molekul organic disubsitusikan (digantikan) dengan suatu Nukleofil. Adapun factor-faktor yang mempengaruhi reaksi Subsitusi sama halnya dengan reaksi eliminasi antara lain: struktur alkilhalida, leaving group X-, dan nukleofilik atau basa (Pudjamoko, 1996 : 99).

                               

Gambar di atas merupakan rumus umum dari substitusi nukleofilik.

Adapun contoh dari masing-masing reaksinya adalah sebagai berikut:

Mekanisme Substitusi Nukleofilik S_N2

Pada gambar diatas terlihat jelas bahwasannya 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. Mekanisme reaksi S_N2 hanya terjadi pada alkil halida primer dan sekunder. Nukleofil yang menyerang adalah jenis nukleofil kuat seperti -OH, -CN, -OCH₃.

     

     Berikut ini merupakan ciri-ciri dari reaksi mekanisme S_N2 adalah sebagai berikut :

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 menyerang dari belakang ikatan C-Br. Pada saat subsitusi terjadi, ketiga gugus yang terikat pada karbon sp3 kiral seolah-olah terdorong oleh suatu bidang datar sehingga membalik. Karena dalam molekul ini OH mempunyai prioritas yang sama dengan Br, maka hasil yang didapatkan adalah (S)-2-butanol, sehingga hasil reaksi S_N2 memberikan hasil inversi.
3. 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. 

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).

Adapun beberapa faktor yang mempengaru reaksi dari S_N2, yaitu sebagai berikut :

1. Kekuatan relative Nukleofil : Nukleofil yang bermuatan negatif lebih kuat dari nukleofil netral. Seperti halnya metanol akan bereaksi dengan metil iodida.
2. Efek Sterik pada Nukleofil : Nukleofil dengan struktur yang lebih melimpah akan terintangi ketika membentuk ikatan tunggal.
3. Gugus pergi yang baik : gugus pergi yang baik penting untuk reaksi S_N1 maupun S_N2.
4. Efek Sterik Substrat : elektrofil yang melimpah akan menyulitkan subsitusi oleh nukleofil pada reaksi S_N2.

Permasalahan :

1. Manakah yang lebih baik untuk dijadikan pelarut reaksi S_N2, pelarut protik polar atau pelarut aprotik polar ? Jelaskan!
2. Dapatkah Anda mendeskripsikan apa itu nukleofil secara jelas dan detail dan berikan contohnya ?
3. Bagaimana gugus tetangga mempengaruhi reaksi nukleofilik ?