Kimia Organik II: mekanisme reaksi substitusi nukleofilik SN2

Mekanisme Reaksi Substitusi Nukleofilik SN₂

Reaksi substitusi

Reaksi substitusi adalah suatu reaksi dimana satu atom, ion, atau gugus disubstitusikan untuk menggantikan atom, ion atau gugus lain. Didalam reaksi substitusi suatu atom atau gugus atom yang terdapat dalam rantai utama akan meninggalkan rantai utama tersebut dan tempatnya yang kosong akan diganti oleh atom atau gugus atom yang lain. Berdasarkan pereaksi yang digunakan, reaksi substitusi dapat dibedakan menjadi 3, yaitu:

(a) reaksi substitusi radikal bebas

(b) reaksi substitusi nukleofilik

(c) reaksi substitusi elektrofilik.

Reaksi substitusi nukleofilik

Sebelum membahas mekanisme reaksi substitusi nukleofilik, saya akan menjelaskan  istilah nukleofilitas. Nukleofilitas adalah ukuran kemampuan suatu pereaksi untuk menyebabkan nukleofil melakukan reaksi substitusi. Jika suatu reaksi substitusi melibatkan nukleofil, maka reaksi tersebut disebut substitusi nukleofilik (SN), dimana S menyatakan substitusi dan N menyatakan nukleofilik. Pada kimia organik maupun anorganik, substitusi nukleofilik

merupakan suatu kelompok dasar reaksi substitusi, dimana sebuah nukleofil yang mengandung elektron berikatan dengan menyerang muatan positif dari sebuah gugus kimia atau atom yang disebut gugus lepas (leaving group).

Reaksi substitusi nukleofilik 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 ini 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. Terdapat dua persamaan umum yang dapat dituliskan sebagai berikut: 

          Apabila laju reaksi substitusi nukleofilik tergantung pada konsentrasi substrat dan nukleofil, maka reaksi ini dinamakan reaksi tingkat dua yang dilambangkan dengan SN₂. Notasi SN₂ menunjukkan reaksi substitusi nukleofil bimolekular, yang berarti bahwa pada reaksi ini ada 2 spesies yang terlibat dalam pembentukan keadaan transisi. Dalam reaksi SN₂, nukleofil menyerang substrat dari arah belakang, dalam arti nukleofil mendekati substrat dari arah yang berlawanan dengan posisi gugus pergi. Reaksinya merupakan proses satu langkah, tanpa pembentukan zat perantara.

Mekanisme reaksi substitusi SN₂

Mekanisme reaksi SN₂ merupakan proses satu tahap yang dapat digambarkan sebagai berikut:

Nukleofil menyerang dari belakang ikatan C-X. Pada keadaan transisi, nukleofil dan gugus pergi bergabung 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. 

•   Tahapan reaksi substitusi nukleofilik bimolekuler, SN2
  
  
•  Mekanisme reaksi substitusi nukleofilik biomolekul SN2

Mekanisme reaksi SN₂ hanya terjadi pada alkil halida primer dan sekunder. Nukleofil yang menyerang adalah jenis nukleofil kuat seperti ^–OH, ^-CN, CH₃O^-. Serangan dilakukan dari belakang. Secara umum, mekanisme SN₂ sebagai berikut:

Ciri-ciri reaksi SN₂  :

·     Karena nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi, maka kecepatan reaksi tergantung pada konsentrasi kedua spesies tersebut.

· Pembaharuan 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. Karena dalam molekul ini OH mempunyai perioritas yang sama dengan Br, tentu hasilnya adalah (S)-2-butanol. Jadi reaksi SN2 memberikan hasil inversi. 

·   Jika substrat R-L bertahan melalui mekanisme SN₂, timbullah lebih cepat. R adalah gugus metil atau primer, dan lambat jika R adalah gugus tersier. Gugus R sekunder memiliki kecepatan pertengahan. Alasan untuk urutan ini adalah adanya efek rintangan sterik. Rintangan sterik gugus R meningkat dari metil <primer <sekunder <tersier. Jadi metil> primer> sekunder> tersier.

Permasalahan

1. Mengapa pada saat suatu nukleofil (Z) menyerang alkil halida pada atom karbon hibrida-sp3 yang mengikat halogen (X) dapat menyebabkan halogen terusir ?

2. Bagaimana perbedaan R metil atau primer, sekunder, dan tersier dapat terjadi dan mempengaruhi mekanisme SN₂?

3. Pada mekanisme reaksi SN₂ produk yang dihasilkan adalah berupa produk inversi (terbalik). Bagaimana fenomena inversi ini dapat terjadi?