REAKSI SUBSTITUSI SN 2 DAN SN 1

Reaksi Substitusi

Atom karbon ujung suatu alkil halida mempunyai muatan positif parsial. Karbon ini rentan terhadap (susceptible ; mudah diserang oleh) anion dan spesi lain apa saja yang mempunyai sepasang elektron menyendiri (unshared) dalam kulit luarnya. Dihasilkan reaksi substitusi yang merupakan suatu reaksi dalam satu atom, ion atau gugus disubsitusikan untuk (menggantikan) atom, ion atau gugus lain.

Dalam reaksi substitusi alkil halida,halida itu disebut gugus pergi (leaving group) suatu istilah yang berarti gugus apa saja yang dapat digeser dari ikatannya dengan suatu atom karbon. Ion halida merupakan gugus pergi yang baik, karena ion-ion ini merupakan basa yang sangat lemah. Hal ini juga dikarenakan gugus pergi memikul muatan negatif yang lebih besar pada keadaan transisi (dan produk) daripada dalam bahan pemula, gugus pergi yang baik harus mampu menstabilkan muatan negatif ini, yaitu dalam bentuk anion yang stabil. Basa kuat seperti misalnya OH^-,bukan merupakan gugus pergi yang baik. Dalam reaksi substitusi alkil halida, ion iodida adalah halida yang paling mudah digantikan, baru ion bromida dan kemudian klorida.

Umumnya, sebuah nukleofil ialah spesi apa saja yang tertarik ke suatu pusat positif sehingga sebuah nukleofil adalah suatu basa lewis. Kebanyakan nukleofil adalah anion, namun beberapa molekul polar yang netral juga mampu bertindak sebagai nukleofil. Molekul netral seperti H₂O ini memiliki pasangan elektron menyendiri, yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan sigma. Substitusi oleh nukleofil disebut substitusi nukleofil stsu pergantian nukleofil.

A. Reaksi S_N 2

S_N 2 adalah reaksi substitusi nukleofilik biomolekuler (orde 2) menghasilkan konfigurasi inversi berlangsung satu tahap melalui tahap transisi (transtitation state). Metil halida dan alkil halida primer dapat bereaksi S_N 2 dengan nukleofil yang agak kuat seperti –OH, -CN dan lain-lainnya. Serta juga dapat bereaksi dengan nukleofil lemah seperti H₂O tetapi reaksinya terlalu lambat.

Agar dapat bereaksi maka molekul-molekul itu harus saling bertabrakan. Dimana molekul-molekul yang bertabrakan itu harus mengandung cukup energi potensial agar terjadi pematahan ikatan. Dalam reaksi S_N 2 antara bromoetana dengan ion hidroksida, oksigen dari ion hidroksida akan menabrak bagian belakang karbon ujung menggantikan ion bromide.

Bila sebuah nukleofil menabrak sisi belakang suatu atom karbon tetrahedral yang terikat pada sebuah halogen, dua peristiwa terjadi sekaligus: (1) suatu ikatan baru mulai terbentuk, dan (2) ikatan C-X mulai patah. Proses ini disebut proses setahap atau proses serempak (concerted). Jika energi potensial kedua spesi yang bertabrakan cukup tinggi, maka tercapai suatu titik dimana, dilihat dari segi energ, pembentukan ikatan baru dan pematahan ikatan C-X lama dimudahkan/dilakukan. Ketika pereaksi diubah menjadi produk, sehingga harus melewati keadaan antara yang memiliki energi potensial tinggi dibandingkan dengan energi pereaksi atau  produk. Keadaan seperti ini dimakan dengan keadaan transisi atau kompleks teraktifkan (activated complex). Karena keadaan transisi melibatkan dua partikel (Nu^- dan RX), maka reaksi S_N 2 dikatakan  bersifat biomolekular.

Untuk reaksi S_N 2, keadaan transisi mencakup suatu rehibridisasi sementara (dari) atom karbon ujung, daro sp³ ke sp² dan akhirnya kembali ke sp³ lagi. Dalam keadaan transisi seperti itu, atom karbon mempunyai tiga ikatan sp² datar ditambah dua setengah ikatan yang menggunakan orbitl p. Ketika nukleofil menyerang dari arah belakang molekul, ketiga gugus yang terikat pada karbon berubah posisi menjadi rata dalam dalam keadaan transisi, kemudian membalik ke sisi lain, sangat mirip dengan payung yang kelewatan terbukanya (model molekul akan sangat bermanfaat untuk menghayati proses ini). Peristiwa membalik ini disebut inversi kofigurasi atau inversi Walden.

Adanya inversi sebagai bagian mekanisme suatu reaksi S_N 2 diperagakan dengan indahnya oleh reaksi enantiomer murni dari alkil halida sekunder. Misalnhya, reaksi S_N 2 dari (R)-2-bromooktana dengn 0H^- menghasilakan (S)-2-oktanol secara hampir eksklusif.

Kebanyakan reaksi yang melibatkan molekul kiral dilaksanakan dengan campuran rasemik, yakni campuran ekuimolar reaktan (R) dan (S). Dengan hal ini, produk juga berupa campuran rasemik. Meskipun terjadi juga inversi, namun efek ini tak dapat diamati karena separuh molekul-molekul menuju ke satu arah dan separuh lainnya menuju ke arah yang berlawanan.

B. Reaksi S_N 1

            Reaksi S_N 1 adalah reaksi ion. Mekanismenya kompleks karena adanya antaraksi antara molekul pelarut, molekul RX, dan ion-ion antara yang terbentuk. Reaksi S_N 1 suatu alkil halida tersier adalah reaksi bertahap (stepwise reaction). Tahap pertama berupa pematahan alkil  halida menjadu sepasang ion. Ion halida dan suatu karbokation, suatu ion dalam atom karbon mengemban suatu muatan positif. Karena reaksi S_N 1 melibatkan ionisasi, reaksi-reaksi ini dibantu oleh pelarut polar, seperti H₂O yang dapat menstabilkan ion dengan cara solvasi (solvation).

Karena rintangan sterik, t-butil bromida dan alkil halida tersier lain tidak bereaksi secara S_N 2,  Namun bila t-butil bromida direaksikan dengan suatu nukleofil yang berupa basa yang sangat lemah (seperti H₂O atau CH₃CH₂OH), terbentuk produk substitusi bersama-sama dengan produk eliminasi. Mekanisme umum dalam reaksi S_N 1 :

Pada tahap kedua, dilakukan penggabungan karbokation itu dengan nukleofil (H₂O) menghasilkan produk awal,suatu alkohol berproton (protonated).

Tahap terakhir dalam deret ini ialah lepasnya H⁺ dari dalam alkohol berproton tadi, dalam suatu reaksi asam-basa yang cepat dan reversibel, dengan pelarut.

Jadi, reaksi keseluruhan t-butil bromida dengan air sebenarnya terdiri dari dua reaksi yang terpisah yakni reaksi S_N 1 (ionisasi yang diikuti oleh kombinasi dengan nukleofil) dan suatu reaksi asam-basa. Tahap-tahap itu dapat diringkas sebagai berikut :

Karbokation itu adalah zat-antara (intermediet) dalam reaksi ini, suatu struktur yang terbentuk dalam reaksi dan bereaksi lebih lanjut menghasilkan produk. Pada keadaan transisi, molekul mengalami pematahan ikatan dan pembentukan ikatan. Energi potensial suatu keadaan transisi merupakan titik puncak dalam suatu kurva energi potensial.

Sumber :

Fessenden, R.J dan J.S. Fessenden. 1982. Organic Chemistry Third Edition. Jakarta : Erlangga.

Hart, H. 1990. Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat. Jakarta: Erlangga.

Pertanyaan :

1. Apakah bisa penyerangan pada S_N 2 terjadi pada suatu karbon primer yang memiliki halangan sterik? Sertakan alasannya!

2. Mengapa ion halida dikatakan gugus pergi yang baik?

3. Prediksikan reaksi dibawah ini, Apakah reaksi S_N 1 atau S_N 2?

~ TERIMAKASIH ~