ALDEHIDA & KETON Salah satu gugus organik terpenting adalah gugus kabonil.
C
O
Senyawa dengan gugus kabonil merupakan kelompok senyawa yang penting, baik secara komersial maupun senyawa biologis. Gugus kabonil ada dalam kelompok senyawa aldehida, keton, asam kaboksilat, ester dan beberapa kelompok lainnya. Dalam aldehida, atom karbon kabonil paling kurang mengikat satu hidrogen dan lainnya rantai karbon. Maka gugus aldehida dan aldehida dapat dituliskan: H
C
O
C HO
atau
H R C O
atau R CHO
gugus aldehida
atau
Ar CHO
aldehida
Gugus karbonil dalam keton mengikat dua rantai karbon, maka:
O R C R
atau
keton alifatik
O R C Ar
atau
alkil aril keton
O Ar C Ar
C O atau
keton aromatik
keton siklik
Tata nama ALDEHIDA Nama sistematis aldehida = a di akhir nama alkana yang sesuai diganti dengan al, sedangkan nama umum dalam kurung juga digunakan
O H C H metanal (formaldehida)
CH3
O C H
etanal (asetaldehida)
CH2 CH CHO 2-propenal
O CH 3
CH 2 C
H
propanal (propionaldehida)
CH2 CHO feniletanal (fenilasetaldehida)
Tuliskan rumus strukturnya: 1
Pentanal
2-hidroksi propanal
2-butenal
Aldehida yang mengandung cicncin diberi nama dengan menyebut nama cincin ditambah kata karbaldehide. Namun, nama umum aldehida aromatik lebih sering digunakan dari pada nama sistematisnya.
O C H
O C H
O C H
sikloheksanakarbaldehida
OH
benzanakarbaldehide (bensaldehide)
2-hidroksibensanakarbaldehide
KETON Nama sistematis keton = a di akhir nama alkana yang sesuai diganti dengan on dan rantai karbon diberi nomor sedemikian sehingga gugus krabonil mempunyai nomor terkecil. Nama umum keton dibuat dengan menyebut nama dua gugus secara terpisah yang terikat pada gugus carbonil diikuti dengan keton, CH3-CO-CH3
CH3 CH2 CO CH2 CH3
Propanon (aseton)
CH3-CO-CH=CH2
3-pentanon dietil keton
3-buten-2-on (metil vinil keton)
Nama umum keton aromatik lebih sering digunakan dari pada nama sistematiknya, misalnya:
O C
O C CH3 asetofenon
Bensofenon
Sebutkan nama lain dari asetofenon dan bensofenon Gugus berikut seringkali digunakan sebagai awalan dalam penamanaan:
O RC
dan
asil atau alkanoil
Contoh
CH3-COCl asetil klorida
O CH formil
O CH3 C
SO3H
asam p-asetilbensensulfonat
Tuliskan rumus strukturnya Formil asetat, fenilasetaldehide, etil isopropIl keton 2
Beberapa contoh aldehida dan keton penting dan keberadaannya di alam Aldehida yang paling banyak diproduksi adalah formaldehida dan disiapkan sebagai larutannya dalam air (37% w/w) disebut formalin. Formalin diproduksi dalam jumlah jutaan ton/tahun dengan mengoksidasi gas metanol pada suhu 700oC menggunakan katalis Ag dan kebanyakan digunakan untuk membuat polimer resin. Asetaldehida juga diproduksi dalam jumlah yang sangat banyak, terutama dengan mengoksidasi etilena menggunakan katalis paladium-tembaga. Digunakan sebagai bahan dasar insutri kimia, seperti asam asetat dan butanol. Keton yang paling banyak diproduksi adalah aseton dengan cara mengoksidasi propilena, membentuk isopropanol dan oksidasi lebih lanjut menghasilkan aseton. Sebagaian besar aseton digunakan sebagai pelarut dan lainnya untuk sintesis, misalnya untuk membuat bisfenol-A. Aldehida dan keton juga banyak ditemukan di alam dalam beberapa tanaman. Misalnya bensaldehida dari almon, vanillin, kamper, minyak jasmine, vit K, testosterone, 2-heptanon dalam cengkeh, dll. Banyak aldehida dan keton memiliki rasa dan bau yang menyenangkan, sehingga sering digunakan sebagai essen dan pengharum (dalam sabun, kosmetik, penyegar udara, dll.)
OCH3
O
O
CH3
H C C
C
HO
H
H
C O
O
Vitamin K3
H
sinamon
vanilin
Carilah senyawa aldehida dan keton lain yang terdapat dalam tumbuhan dan hewan! SIFAT ALDEHIDA DAN KETON Sifat-sifat fisik dan kimia aldehida dan keton sangat dipengaruhi adanya gugus karbonil yang bersifat polar. Gugus karbonil menjadikan aldehide dan keton bersifat polar. Meski demikian, sesama molekul aldehida dan keton tidak dapat membentuk ikatan hidrogen, sehingga interaksi antar molekulnya lebih lemah dari pada dalam alkohol, maka titik didih aldehida dan keton lebih rendah dari pada alkohol yang memiliki jumlah atom karbon sama. Misalnya, titik didih propana = -0,5oC, propanal = 49 oC, aseton = 56 oC dan propanol = 97 oC. butana = 36oC, butanal = 75 oC, butanon = 76oC dan 1-butanol = 118 oC 3
Aldehida dan keton rendah dengan atom karbon kurang dari empat larut dalam air, sedangkan yang lebih tinggi tidak larut dalam air. Kelarutannya dalam alkohol lebih baik dari pada dalam air. Sifat kimia aldehida dan keton sangat berhubungan dengan ikatan rangkap C=O dan bentuk segitiga planar dari gugus karbonil. Ikatan rangkap C=O (ikatan p) terbentuk dari overlaping satu orbital π karbon dan satu orbital π oksigen dan atom oksigen memiliki dua pasang elektron bebas. Kelektronegatipan oksigen lebih besar dari pada karbon, sehingga elektron ikatan C=O lebih sering beredar di sekitar oksigen dan menghasilkan polarisasi ikatan seperti berikut.
δ+
δ−
C O
Terjadinya polarisasi elektron ikatan gugus karbonil dalam aldehida dan keton mengakibatkan karbon karbonil menjadi sasaran serangan nukleofil (bandingkan dengan serangan elektrofil pada C=C). Adanya pasangan elektron bebas dan tingginya keelektronegatifan atom O, menjadikan oksigen karbonil aldehida dan keton bersifat sebagai basa yang dapat menerima proton (protonasi)..Karena itu reaksi terhadap gugus karbonil aldehida dan keton dapat melibatkan reaksi yang secara umum dituliskan:
δ+
δ−
C O
serangan
Nu
H+
Serangan nukleofil pada atom C karbonil menjadi lebih mudah bila atom O diprotonasi lebih dahulu (dengan katalis asam) yang mengakibatkan atom C menjadi lebih positip dan atau karbokation karena terjadinya stabilisasi resonansi seperti berikut:
C O + H+
C OH+
C+ OH
dan
C + OH +
Nu-
Nu
C OH
REAKSI ADDISI NUKLEOFIL PADA ALDEHIDA DAN KETON
4
Jika dilihat reaksi serangan nukleofil terhadap gugus karbonil yang dikatalis oleh asam di atas, maka karbon karbonil suatu keton kurang reaktif dari pada aldehida terhadap serangan nukleofil karena dua alasan, yaitu: ◘ Faktor halangan sterik karena ukuran gugus R yang lebih besar dari pada H pada keton lebih menghalangi dari pada H dalam aldehida. ◘ Faktor elektronik R mendorong elektron lebih besar dari pada H, sehingg karbon karbonil keton kurang positip dibandingkan aldehida Reaksi adisi nukleofil terhadap karbonil aldehida dan keton dapat menggunakan nukleofil dari atom O yang berasal dari air dan alkohol, N dari asam sianida dan amonia serta C (R) dari reagen Grignard mengikuti pola yang mirip seperti di jelaskan di atas. 1. Addisi alkohol pada aldehida dan keton Alkohol merupakan nukleofil oksigen dan merupakan nukleofil lemah, serangan nukleofil alkohol terhadap aldehida dan keton memerlukan katalis asam.
R
R
+
C O + H H
aldehida
C O+H + R' OH
H
alkohol
R H
C OH O+R' H
dan
R H
C OH +
O R' H
R H
C OH OR'
+ H+
hemiasetal (dalam hemiasetal, gugus –OR dan gugus –OH terikat dalam satu atom karbon) Bila dalam reaksi terdapat alkohol secara berlebih, dan dikatalis asam, gugus –OH dalam hemiasetal akan disubstitusi oleh gugus –OR sebagai berikut:
5
R H
C OH OR'
+
H
R" OH
+
R
C OR" + H O 2 H OR' asetal
Tugas Perkirakan jenis mekanisme substitusi pembentukan asetal dari hemiasetal di atas Tuliskan mekanisme reaksi pembentukan asetal dari hemiasetal di atas Tuliskan raksi pembentukan hemiasetal dari asetaldehida dan etanol dan dikatalis oleh asam. Jika gugus aldehida dan gugus alkohol terletak pada posisi yang memungkinkan dalam satu rantai yang sama, maka dapat membentuk hemiasetal siklis melalui reakdi adisi nukleofil intramolekuler. Gugus hidroksil pada atom karbon nomor empat atau lima dari gugus aldehida cenderung membenntuk hemiasetal siklis (akan diuraikan secara detail dalam karbohidrat)
O
O-
CH2 C H
CH2 C H
CH2
CH2
OH
O+
OH CH2 C H H
CH2
CH2 CH2
CH2 CH2 5-hidroksipentanal
O CH2 CH2
hemiasetal dari 5-hidroksipentanal
Jika diperhatikan reaksi pembentukan asetal, maka reaksi sebaliknya akan terjadi. Yaitu dalam dengan lingkungan asam, asetal akan terurai menjadi aldehida dan alkohol. Tugas Tuliskan mekanisme reaksi penguraian bensaldehida dimetilasetal dalam air dengan suasana asam! Keton bereaksi dengan alkohol dengan reaksi yang mirip seperti pada aldehida menghasilkan hemiketal(gugus –OH dan –OR terikat dalam satu karbon), juga dikatalis oleh asam. Dengan alkohol berlebih dihasilkan ketal (dua gugus –OR terikat dalam satu karbon). Misalnya reaksi antara aseton dengan metanol dan dikatalis oleh asam adalah:
CH3 C O CH3 aseton
+ CH3 OH metanol
H+
CH3 CH3O C OH CH3 aseton metilhemiketal
Tugas 6
Tuliskan mekanisme reaksi pembentukan aseton metilhemiketal diatas! Tuliskan mekanisme reaksi pembentukan aseton dimetilketal dari metilhemiketal dengan metanol! Jika diperhatikan struktur asetal, keduanya memiliki struktur seperti eter. Mana yang lebih mudah mengalami hidrolisis dalam asam? Adisi air pada aldehida dan keton Air merupakan nukleofil oksigen seperti halnya alkohol, sehingga dapat mengadisi aldehida dan keton menghasilkan suatu hidrat dari aldehida atau keton. Misalnya:
H C O + H
H H OH
H
formaldehida
C OH OH
hidrat formaldehida Meski reaksi keseetimbangan pembentukan hidrat berdasarkan adisi aldehida atau keton mungkin terjadi, namun sangat sedikit jenis hidrat dari aldehida yang dapat diisolasii, misalnya hidrat trikloroaasetaldehida atau juga disebut hidrat kloral. Adisi Grignard pada aldehida dan keton Reagen Grignard merupakan larutan RMgX (alkil magnesium halida) dalam eter kering. Gugus alkil dalam reagen Grignard bermuatan negatip, sehingga merupakan suatu nukleofil kuat. Adisi nukleofil reagen Grignard pada aldehida dan keton menghasilkan ikatan karbon-karbon dari suatu senyawa alkoksida yang akan menghasilkan alkohol jika dihidrolisis dengan asam.
H C O + H3C:- MgBr+ H
eter
formaldehida
H H
C
CH3 O- +MgBr
etoksida
H2O, HCl
H H
C
CH3 OH
++ - + Mg Br Cl
etanol
Reaksi di atas dilakukan dengan cara menambahkan secara hati-hati reagen Grignard ke dalam aldehida atau keton dan setelah reaksi selesaidihidrolisis dalam asam. Adisi dengan reagen Grignard menghasilkan perpanjangan karbon aldehida/keton sebanyak atom karbon gugus aklil reagen Grignard.
Tugas - Tuliskan reaksi adisi reagen Grignard pada aldehida selain formaldehida untuk menghasilkan alkohol sekunder dan dengan keton untuk menghasilkan alkohol tersier. - Bagaimana anda mensintesis 1-feniletanol berdasarkan reaksi adisi suatu aldehida dengan reagen Grignard? 7
Adisi hidrogen sianida pada aldehida dan keton. Adisi hidrogen sianida pada aldehida dan keton dapat dilakukan dalam lingkungan basa. Dalam basa, hidrogen sianida akan menghasilkan ion sianida yang dapat berfungsi sebagai karbon nukleofil. Hasil adisi ion sianida pada aldehida dan keton adalah suatu sianohidrin (gugus –CN dan –OH terikat dalam satu atom karbon). Karena atom karbon dalam hidrogen sianida tidak memiliki pasangan elektron bebas, maka hidrogen sianida bukan merupakan karbon nukleofil. Maka,
CH3
C O +
:C N
CH3
CH3
CH3
C CN + H :CN CH3 O
C CN CH3 OH
aseton
+ CN-
aseton sianohidrin
Tugas Tuliskan adisi hidrogen sianida dalam suasana basa kepada bensaldehida Adisi nitrogen nukleofil pada aldehida dan keton. Nitrogen dalam amonia, amina dan gugus amino dalam senyawa lainnya mempunyai pasangan elektron bebas, sehingga berfungsi sebagai nitrogen nukleofil yang dapat mengadisi aldehida dan keton. Adisi nitrogen nukleofil pada aldehida dan keton banyak digunakan untuk mensintesis beberapa senyawa nitrogen yang akan dibahas di bagian lain. Adsi dengan amina primer menghasilkan suatu imina, suatu turunan nitrogen dari senyawa karbonil.
H C NR O H
C O + RNH2
C NHR OH
hasil addisi merupakan senyawa dengan struktur yang mirip dengan hemiasetal dan juga tidak stabil. Senyawa itu menjadi stabil dengan melepaskan molekul air melalui eliminasi 1,2. Reaksi antara gugus amino dengan gugus karbonil merupakan dasar reaksi biokimia penting yang melibatkan enzim.
H C N O R H
C
NR
imina
Tugas Tuliskan reaksi antara bensaldehida dengan anilina! Tautomerisasi keto-enol
8
Aldehida dan keton dapat membentuk suatu sistem kesetimbangan tautomerisasi dengan dua bentuk tautomer, yaitu bentuk keto dan bentuk enol. Kedua bentuk itu berbeda dalam lokasi dari suatu proton dan ikatan rangkap. Tautomer merupakan isomer struktur, bukan bagian dari resonansi. Bentuk keto dan enol dari aseton adalah:
CH3
O C CH3
CH3
bentuk keto
OH C CH2
bentuk enol
Senyawa karbonil yang dapat dalam bentuk enol dan keto adalah yang mempunyai hidrogen alfa (Hα), yaitu atom hidrogen yang terikat pada atom karbon yang mengikat gugus karbonil. Namun demikian, aldehida dan keton sederhana umumnya ada dalam bentuk keto. Aldehida atau keton tinggi, misalnya fenol, dapat membentuk enol dan keto.
OH
O
H H
Keasaman atom hidrogen alfa, Hα Atom hidrogen alfa bersifat lebih asam (1030 kali) dari pada atom hidrogen yang terikat pada atom karbon lain. Hal ini karena atom karbon karbonil secara parsial bermuatan positip, sehingga elektron ikatan lebih ditarik ke karbon karbonil dan makin menjauhi Hα. Di samping itu, jika ditarik oleh suatu basa kuat danHα dilepaskan maka akan dihasilkan suatu anion enolat yang stabil karena terjadi resonansi dan muatan negatipnya didelokalisasi. Adanya pasangan elektron bebas pada Cα enolat anion menjadikannya dapat berfungsi sebagai nukleofil.Perhatikan gambar di bawah:
OH-
O Cα C R
O Hα C α C R
anion enolat
O C C
C C
R anion enolat
O
δ− C C
R
O
δ−
R dan
delokalisasi muatan -
9
Reaksi kondensasi aldol (aldehida-alkohol) Karbon karbonil rentan terhadap serangan nukleofil. Seperti dijelaskan di atas, bahwa karbon alfa pada enolat anion suatu aldehida atau keton dapat berfungsi sebagai nuklefil, sehingga dapat mengadisi gugus karbonil molekul aldehida atau keton yang lain. Misalnya, jika asetaldehida direaksikan dalam basa kuat (seperti dalam larutan KOH), maka Hα dari asetaldehida ditarik oleh OH-, sehingga menghasilkan enolat anion dari asetaldehida. Enolat anion asetaldehida berfungsi sebagai nukleofil yang dapat mengaddisi molekul asetaldehida yang lain menghasilkan kondensasi aldol dan reaksi kondensasinya dapat dituliskan:
H :C H2
O C H + OH -
H :C H2
O O C H + :C H2 C H
H :C H2
O O C C H2 C H + H :OH H
:CH2
O C H + H OH
H :CH2
O O C CH2 C H H
H :CH2
OH O C C H2 C H + OH H
Dalam reaksi di atas, atom karbon alfa aldehida yang satu disambungkan dengan atom karbon karbonil aldehida yang lain, sehingga hasilnya selalu 3-hidroksialdehida. Kondensasi aldol juga dapat terjadi dari dua aldehida atau keton yang berbeda, sehingga reaksi aldol kondensasi sangat berguna dalam sintesis. Misalnya reaksi antara bensaldehida dengan asetaldehida dalam basa kuat, maka hanya asetaldehida yang dapat membentuk anion enolat, sehingga jika hasilnya dipanaskan dan dalam keadaan basa kuat akan terjadi dehidrasi dan menghasilkan sinamaldehida (sinammon). Reaksi kondensasi aldol dari keton posisi kesetimbangannya sangat ke kiri, maka posisi ketimbangannya harus didorong ke kanan dengan cara mengambil hasil kondensasinya dari sistem reaksinya untuk mendapatkan hasil kondensasi yang banyak. Reaksi kondensasi aldol juga dapat terjadi dari campuran antara keton dan aldehida dalam basa kuat mengikuti proses reaksi Claisen-Schmidt. Misalnya, reaksi antara bensaldehida dengan aseton dalam basa kuat pada suhu 100oC adalah:
10
O C H
O +
CH3 C
OH CH3
-
OH
O
C
C CH2
CH3
100o C
4-fenil-4-hidroksibutan-2-on dalam suasana basa kuat dan suhu tinggi (100oC), maka akan terjadi reaksi dehidrasi, sehingga menghasilkan:
OH
O
C
C CH2
CH3
H
O
C
C C
CH3
+ H2O
4-fenil-3-buten-2-on
Tugas - Tuliskan mekanisme reaksi aldol kondensasi antara bensaldehida dengan asetaldehida dalam basa kuat untuk menghasilkan sinamon! - Tuliskan mekanisme reaksi Claisen-Schmidt dari campuran bensaldehida dan asseton dalam basa kuat di atas! Di dalam industri, reaksi kondensasi aldol juga sering digunakan sebagai salah satu rute dalam sintesis. Misalnya butanal dan 1-butanol disintesis dari aldol kondensasi asetaldehida, diikuti dehidrasi untuk menghasilkan 2-butenaldehida dan terakhir reduksi untuk menghasilkan butanal atau 1-butanol. Tuliskan tahap-tahap reaksi proses tersebut! Reaksi Cannizzaro Dengan adanya basa, aldehida yang tidak mempunyai hidrogen alfa, misalnya bensaldehida, akan mengalami autooksidasi-reduksi menghasilkan campuran alkohol dan garam dari asam karboksilatnya mengikuti reaksi Cannizzaro. Dalam reaksi Cannizzaro, pada tahap awal, nukleofil ion hidroksida mengadisi aldehida menghasilkan suatu intermediate. Kemudian senyawa intermediate melepaskan ion hidrida yang berfungsi sebagai nukleofil yang mengadisi bensaldehida yang lain menghasilkan bensil alkohol dan garam bensoat.
O C H
:OH -
OC H OH
11
O C H OH O C O:H
O C H
O C O:H
+
+
O C O:
O C H H ion bensoat
+
O C H H OH C H H
+
bensoil alkohol
Halogenasi keton Hidrogen alfa suatu keton dapat disubstitusi oleh halogen melalui pembentukan anion enolat dan dikatalis baik oleh asam maupun basa. Dengan katalis basa, misalnya aseton:
O OH- + H CH2 C CH3
O CH2 C CH3 + H2O
ion enolat yang dihasilkan dapat membentuk tautomerisasi keto-enol dan brom akan mengadisinya (mirip adisi elektrofil halogen terhadap alkena).
Br Br +
O CH2 C CH3
O Br CH2 C CH3 + Br-
basa dihasilkan kembali:
H2O + Br-
HBr + OH-
12
Tugas Tuliskan mekanisme reaksi brominasi terhadap aseton yang dikatalis oleh asam, misalnya menggunakan HCl. (asam akan menyerang pusat muatan negatip yang selanjutnya mempolarisasi hidrogen alfa sehingga mudah ditarik oleh sisa asam (berfungsi basa) dan menghasilkan suatu enol) Reaksi pembentukan haloform (CHX3) Hidrogen alfa dari metil keton, dalam lingkungan basa dapat disubstitusi oleh halogen secara berulang sehingga menghasilkan suatu haloform. Masuknya halogen pertama ke atom karbon alfa, menjadikan atom hidrogen alfa yang ada semakin terpolarisasi dan memudahkan terbentuknya ion enolat yang dapat diadisi oleh halogen. Misalnya, reaksi substitusi bromine pada asetofenon dalam suasana basa kuat adalah:
O H C C H H
O H C C H
OH-
O H C C Br H
Br Br
Dengan masuknya bromin ke dalam atom karbon alfa dari bensaldehida, menjadikan hidrogen alfa lebih terpolarisasi dan mudah dilepaskan sehingga dihasilkan ion enolat yang akan diadisi oleh bromine dengan reaksi yang sama seperti di atas untuk menghasilkan tribromometil fenil keton (suatu trihaloketon). Tuliskan reaksi terbentuknya tribromometil fenil keton dari bromometil fenil keton diatas! Dalam basa kuat, ion hidroksida akan menyerang karbon karbonil dari tribromometil fenil keton dan mengakibatkan putusnya ikatan karbon-karbon antara tribromometil dengan gugus karbonil dan menghasilkan anion tribromometil dan ion karboksilat (ion bensoat) dengan mekanisme berikut:
O C
Br C Br + Br
O OH-
C O: H
+
Br C Br Br
Pada tahap berikutnya, terjadi transfer proton dari asam bensoat ke anion tribromometil menghasilkan bromoform dan ion bensoat sbb: 13
O
O C
+
O: H
Br + H: C Br Br
C
Br C Br Br
O
Klorinasi air minum bertujuan untuk membunuh kuman/bakteri juga dapat menghasilkan kloroform karena adanya zat-zat organik yang mengandung gugus metil keton. Karena kloroform dinyatakan sebagai zat yang bersifat karsinogenik, maka penggunaan klorin (kaporit) sebagai disinfectan dalam produksi air minum dapat menghasilkan zat karsinogenik berbahaya. Tugas Tuliskan mekanisme reaksi pembentukan kloroform dari aseton dan gas klor dalam basa! Reaksi haloform menggunakan iodin dalam basa disebut dengan uji iodoform. Reaksi positip uji iodoform menghasilkan endapan kuning dengan titik leleh 119oC. Uji iodoform menghasilkan reaksi positip terhadap gugus: O C
CH3
OH
(metil keton)
CH CH3
dan
(alkohol)
Senyawa alkohol dengan gugus seperti di atas akan dioksidasi oleh iodin dalam basa menghasilkan metil keton yang selanjutnya akan memberikan reaksi positip terhadap uji iodoform. O
OH CH CH3
+
-
C
I2 + 2 OH
-
CH3 + 2 I + 2 H2O
dan O C
CH3 +
3 I2
-
+ 4 OH
O C O
-
-
+ CHI3 + 3 H2O + 3 I endapan kuning
Reaksi oksidasi aldehida dan keton Aldehida lebih mudah dioksidasi dari pada keton. Aldehida dengan mudah dapat dioksidasi oleh pengoksidasi sedang. Pembuatan aldehida dan keton
14
Aldehida Oksidasi alcohol (secara tepat & hati-hati) Alkohol primer → aldehida Pengoksidasi yang sering digunakan reagen PCC (piridin klorokromat) untuk aldehida.
N
PCC = anhidrida (CrO3) dalam asam klorida dan piridin Reduksi asam karboksilat (dengan LAH), sangat sulit.
Reduksi asil klorida dengan LiAlH[OC(CH3)3]3 pada suhu -78oC.
O R C Cl
LiHAl(OtBu)3, eter H 2O
O R C H
Keton Oksidasi alkohol sekunder → keton Umumnya dg reagen John, yaitu kromat anhidrida (CrO3) dalam asam sulfat dan aseton. Cara sintesis yang lain: ◘ Reduksi asam karboksilat / turunannya dengan Li tri-tert.butoksi Aluminium hidrida atau dengan diisobutil aluminium hidrida (bukan dengan LAH) ◘ Ozonolisis alkena
R R'
C C
R''
O3
H
R R'
C O +O C
R'' H
◘ Asilasi Friedel-Craft
O H + R C Cl
O C R
15
ASAM KARBOKSILAT DAN TURUNANNYA Merupakan asam organik terpenting, mengandung gugus karboksil (karbonil + hidroksil), C
O OH
Rumus umum asam karboksilat dapat dituliskan: R C
O OH
atau RCOOH atau RCO2H
Tata nama Asam karboksilat merupakan salah satu asam organik yang paling awal dipelajari, maka sering diberi nama umum yang didasarkan asalnya, terutama asam karboksilat dengan C < 10. Nama sistematis asam karboksilat didasarkan nama alkana yang sesuai dengan akhiran OAT Rumus asam
Nama umum
Nama sistematis
HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3(CH2)2COOH CH3(CH2)3COOH CH3(CH2)4COOH CH3(CH2)5COOH CH3(CH2)6COOH CH3(CH2)8COOH
asam format (semut) asam asetat (cuka) asam propionat (susu) asam butirat (mentega) asam valerat (kuat) asam kaproat (domba) asam enantat (bunga) asam kaprilat (domba) asam kaprat (domba)
asam metanoat asam etanoat asam propanoat asam butanoat asam pentanoat asam heksanoat asam heptanoat asam oktanoat asam dekanoat
Gugus karboksil mempunyai prioritas yang lebih tinggi dari pada gugus karbonil. Jika digunakan nama umum, rantai karbon setelah gugus karboksil ditandai dengan α, β, γ, dst.
O CH3 C CH2 COOH γ β α
asam 3-oksobutanoat atau asam β-oksobutirat Gugus karboksil yang terikat pada karbon lingkar dan aromatis diberi nama karbon lingkarnya diakhiri karboksilat
COOH
asam sikoheksana karboksilat
CH2 CH2 COOH
COOH
asam 3-siklobutilpropanoat
Cl
asam cis-3-klorosiklopentanakarboksilat 16
asam bensanakarboksilat (asam bensoat)
COOH
COOH
COOH
CH3
Br asam 4-bromobensanakarboksilat (asam p-bromobensoat)
asam 2-metilbensanakarboksilat (asam o-toluat)
Adanya dua atau tiga gugus karboksilat dalam satu senyawa diberi nama dengan menambah awalan di, tri, tetra, dst. HOOC-COOH HOOC-CH2-COOH HOOC-(CH2)3-COOH HOOC-(CH2)4-COOH
asam etanadioat (asam oksalat), dari tumbuhan asam propanadioat (asam malonat), dari aple asam glutarat (asam butandioat), dari gluten asam heksanadioat (asam adipat), dari lemak
Asam butenadioat sering diberi dengan nama umumnya, yaitu:
HOOC
COOH C C
H
H
HOOC C C
H
H
asam cis-2-butenadioat (asam maleat)
COOH
asam trans-2-butenadioat (asam fumarat)
Asam bensana dikarboksilat hampir selalu disebut dengan nama umum
COOH
COOH
COOH COOH
COOH
asam ptalat
asam isoptalat
HOOC asam tereptalat
Nama gugus asil (R CO-) = akhiran oat pada asam diganti oil
O O R C
H C = gugus asil
,
gugus formil
Tugas Tuliskan struktur kimia asam berikut: Asam 3-klorobutanoat Asam 5-metil-6-oksoheksanoat Asam m-nitrobensoat
CH3 C
O
gugus asetil (etanoil)
C
O
gugus bensoil
asam 3-asetilbensoat butanoil klorida asam fenilasetat
17
Senyawa yang mengandung gugus asil atau yang menghasilkan asam karboksilat pada hidrolisis merupakan senyawa turunan asam karboksilat. Sifat asam karboksilat Asam karboksilat bersifat polar, antar molekulnya dapat membentuk ikatan hidrogen. Asam karboksilat dengan 1 - 4 atom C larut dalam air dengan segala perbandingan. Asam format dan asam asetat berbau menyengat yang sangat kuat. Sedangkan asam yang lebih tinggi berbau seperti asalnya. Makin besar jumlah atom C, makin sulit larut dalam air. Asam karboksilat mendidih pada suhu yang cukup tinggi sebagai akibat dari molekul asam karboksilat yang dapat membetuk ikatan hidrogen. Titik didih beberapa asam karboksilat: Asam format
101oC
asam butanoat
164oC
Asam asetat
118oC
asam heksanoat
205oC
Asam propanoat
141oC
asam dekanoat
270oC
Asam karboksilat berdisosiasi dalam air menghasilkan anion karboksilat:
R C
Ka =
O OH
+ H2O
R C
O -
+ H3O+
O ion karboksilat
[RCOO-] [H+] [RCOOH]
Kekuatan ionisasi beberapa asam karboksilat dapat dilihat dari harga Ka nya sbb: Asam format Asam asetat Asam propionat Asam butirat Asam kloroasetat Asam dikloroasetat Asam trikloroasetat Asam bensoat
2,1 x 10-2 1,8 x 10-5 1,4 x 10-5 1,6 x 10-5 1,5 x 10-3 5,0 x 10-2 2,0 x 10-1 6,6 x 10-6
Pengaruh induksi gugus yang terikat pada gugus karbonil akan mempengaruhi kekuatan asam karboksilat. Pengaruh gugus yang terikat pada atom Cα lebih besar dari pada atom Cβ dan yang lebih jauh. Gugus yang mempunyai daya dorong elektron lebih besar mengurangi sifat keasaman, dan sebaliknya gugus yang menarik elektron akan meningkatkan sifat asamnya. 18
Asam karboksilat merupakan asam yang jauh lebih kuat dari pada alkohol atau fenol, meskipun ketiga senyawa itu melepaskan proton dari gugus hidroksil. Kuatnya keasaman asam karboksilat karena ion karboksilat hasil ionisasi memiliki struktur yang stabil dengan terjadinya delokalisasi muatan negatip melalui resonansi sbb:
CH3
O
C
CH3
O
C
O O
Dibadingkan dengan ionisasi etanol menjadi ion etoksida, maka muatan negatip ion etoksida terpusatkan pada satu atom oksigen. Sedangkan dalam ionisasi asam asetat menghasilkan ion asetat yang merupakan basa lebih lemah dari pada ion etoksida. Karena bersifat asam, asam karboksilat akan membentuk garam jika direaksikan dengan basa dan dapat dipisahkan dengan cara menguapkan airnya.
CH3COONa + H2O natrium asetat
CH3COOH + NaOH
Pembuatan Asam karboksilat i. Oksidasi alkohol primer atau aldehida dengan pengoksidasi kuat
R CH2OH R C
O H
R C R C
O OH O OH
ii. Oksidasi alkil rantai cabang pada cincin aromatis dengan KMnO4 panas.
CH3
CH2CH2CH3
C
O OH
C
O OH
Bila atom C pada posisi bensilat tidak mengandung hidrogen, maka C dapa cicin aromatis akan dioksidasi: 19
CH3 C C CH3 HO CH3
CH3 C CH3 CH3
O
iii. Hidrolisis turunan asam karboksilat Misalnya:
R C
O
+ H2O
Cl
R C N
R C
+ + H2O, H
O OH
R C
O OH
+
NH3
iv. Reaksi reagen Grignar dengan karbon dioksida Reagen Grignard dapat mengadisi gugus karbonil pada aldehida dan keton menghasilkan suatu alkohol pada hidrolisis dengan asam. Dengan mekanisme yang sama, reagen Grignard beraksi dengan karbon dioksida menghasilkan asam karboksilat.
O R: MgBr + O C O
R C O MgBr
+ HX
O R C OH
TURUNAN ASAM KARBOKSILAT Turunan asam karboksilat merupakan asam karboksilat yang gugus hidroksilnya disubstitusi dengan gugus lain. Jika turunan asm karboksilat dihidrolisis akan diperoleh asam karboksilat. Beberapa turunan asam karboksilat adalah: R C
O
X asil halida R C
O
OR' ester
R C N Nitril
O C R'
O R C
O anhidrida
R C
O
NHR' amida O R C NR'R'' amida
20
◘ Ester Ester diturunkan dengan mengganti gugus hidroksil dari asam dengan gugus OR. Nama ester dianalogikan seperti nama garam. R dari OR disebut pertama diikuti dengan nama asam yang diakhiri “oat”. O CH3CH2CHC
O OCH3
metil butanoat
CH3C
O C
O
fenil etanoat (fenil asetat)
OCH3
metil bensoat
Beberapa ester dikenal sebagai senyawa dengan bau yang harum dan menyenangkan, yang menyebabkan bau enak beberapa buah dan bunga. Misalnya pentil asetat (pisang), oktil asetat (jeruk), etil butanoat (nanas), petil butanoat (aprokot). Namun, bau alami sangat komplek, bisa tersusun lebih dari 50 jenis senyawa yang berbeda. Karena tidak ada ikatan hidrogen sesama molekul ester, sifat fisika ester cukup berbeda dengan asam karboksilatnya, ester memiliki titik didih lebih rendah dari pada asamnya. Tugas: Tuliskan struktur ester berikut: Pentil asetat etil butanoat Pentil butanoat 2-hidroksietil asetat
etil 2-metilpropanoat metil bensoat
Substitusi nukeofilik pada karbon asil asam karboksilat dan turunannya Karena kepolaran gugus karbonil menjadikan atom karbon karbonil dalam aldehida dan keton serta asam karboksilat dan turunannya rentan terhadap serangan nukleofil. Serangan nuleofil pada asam karboksilat dan turunannya menghasilkan reaksi substitusi nukleofil pada akhirnya, sedangkan terhadap aldehida dan keton terjadi reaksi addisi.
R L
C O + Nu
Nu R C O L
Nu R
C O + L-
Reaksi substitusi nukleofil pada asam karboksilat dan turunannya pada awalnya terjadi adisi nukleofilik seperti halnya pada aldehida, kemudian diikuti oleh eliminasi dan pembentukan kembali ikatan C=O. Sedangkan pada aldehida dan keton dapat menerima proton untuk menghasilkan hasil addisi yang stabil.
21
Dalam biokimia, substitusi nukleofil di atas dipandang sebagai reaksi transfer asil. Gugus asil ditransfer dari L dalam substrat awal kepada Nu dalam hasil. Kecepatan substitusi Nu-asil didorong oleh meningkatnya sifat keelektronegativan gugus pergi (leaving group) L. Jika keelektronegatifan L besar, C karbonil menjadi lebih positip sehingga mudah diserang oleh nukleofil pada reaksi tahap pertama dan menjadi gugus tinggal yang lebih baik pada tahap kedua, sehingga menghasilkan reaksi substitusi. Misalnya: Reaksi ROCl dengan air (hidrolisis), dipandang sebagai reaksi substitusi nukleofil (Nu = OH)
O R C
O-
+ O H Cl H
+
C O H R Cl H
leaving group
O + H R C O H
O H H
O + H3O+ R C O H
Karena Cl- basa lemah, maka merupakan leaving group yang baik. Semakin kuat sifat basa suatu leaving group semakin sulit meninggalkan senyawa intermediate, maka semakin sulit reaksi substitusinya dan semakin tidak reaktif. Sehingga:
O O O R C > R C > R C > R C > R C NH2 O OR' H Cl R C O O
O
Berdasarkan keaktifannya, asil klorida dapat digunakan sebagai substrat untuk membuat turunan asam karboksilat lainnya, misalnya:
22
O R'CONa
O O RC O CR' +
NaCl
R'OH
O RC O R'
+
HCl
NH3
O RC NH2
+
NH4Cl
R'NH2
O RC NHR'
+
R'NH3Cl
O R C Cl +
Hal yang sama juga terjadi terhadap anhidrida asam, bisa digunakan untuk menyiapkan turunan asam karboksilat yang kurang aktif (ester dan amida). Reaksi pembuatan turunan asam karboksilat pada contoh di atas mengikuti reaksi substitusi nukleofilik. Esterifikasi Fischer Merupakan mekanisme pembentukan ester dari asam karboksilat dan alkohol yang dikatalis oleh asam. Reaksi esterifikasi merupakan reaksi substitusi nukleofil dan bukan reaksi asam basa. Gugus OH dari asam karboksilat disubstitusi oleh giugus OR dari alkohol. Reaksi esterifikasi merupakan reaksi dapat balik, karena gugus OH sebagai gugus pergi juga merupakan suatu nukleofil. Untuk menggeser kesetimbangan ke kanan sehingga dihasilkan ester yang lebih banyak maka dapat dilakukan dengan mengurangi/membuang air sebagai hasil reaksi dalam kesetimbangan di atas.
RCOOH + HOR'
H+
O R C OR' + H 2O
Mekanisme substitusi nukleofilnya adalah:
23
O R C OH
H O R C OH
H O + R C OH
+
+
+H
asam karboksilat
HO-R alkohol
O R C OR'
H O R C OH + H OR'
H O H + R C OH OR'
H O H
_ _ H+
Tahap-tahap esterifikasi: 1. 2. 3. 4. 5.
Protonasi gugus karbonil, meningkatkan muatan positip atom C karbonil dan menambah keaktifannya terhadap nukleofi. Serangan nukleofil dari alkohol, tahap yang paling menentukan, pembentukan ikatan baru C-O Kestimbangan lepasnya dan terikatnya proton dari oksigen. Kedua gugus OH ekivalen, salah satu diprotonasi. Setelah OH- diprotonasi berubah menjadi leaving group yang baik dan lepas sebagai molekul H2O. Regenerasi katalis asam, H+ dilepaskan dan ester dihasilkan.
Reaksi esterifikasi di atas merupakan reaksi substitusi nukleofil didukung oleh percobaan menggunakan alkohol dengan oksigen radioaktif. Dari analisa hasil reaksinya, oksigen radioaktif hanya ditemukan dalam ester dan tidak ditemukan dalam air. Misalnya: O
O C
OH +
+
18
C
H
CH3 O H
18
O CH3 +
H2O
Tugas - Tuliskan mekanisme reaksi esterifikasi di atas! - Tuliskan mekanisme pembuatan etil asetat yang diproduksi dalam jumlah sangat besar untuk pelarut cat dari asam asetat dan alkohol yang dikatalis oleh asam.
Asam karboksilat yang mempunyai gugus hidroksil pada rantai atom C nomor 4 (γ) atau 5 (δ) juga dapat membentuk ester lingkar, disebut γ lakton atau δ lakton.
24
R
γ
δ
C
C C β OH
α
C
H+
O
α
_H O
C OH
β
2
O C
O
γ δ
R
δ lakton
Tugas Tuliskan mekanisme reaksi esterifikasi sklis asam γ-hidroksibutirat dalam asam untuk menghasilkan γ-butirolakton! Hidrolisis ester Hidrolisis ester dikatalis oleh basa dan disebut saponifikasi ester (reaksi yang digunakan untuk membuat sabun dari lemak dan minyak). Saponifikasi ester juga merupakan substitusi nukleofil yang melibatkan serangan oleh nukleofil kuat (ion hidroksida) terhadap karbon karbonil ester yang merupakan tahap pententu reaksi. R-COOR’ + NaOH
R-COONa + R’-OH
O -
R
C OR' + OH
O R C + H OR' O-
O R C OR' OH
O R C OR' OH
Reaksi saponifikasi bukan merupakan reaksi dapat balik, karena ion alkoksida yang merupakan basa sangat juat tidak dapat memberikan H+ pada asam. Tugas
OH
HO HO
C
H2C OH
O
O Vitamin C
Vitamin C merupakan suatu γ-lakton dan akan dihidrolisis dalam basa menghasilkan suatu asam hidroksi karboksilat. Tuliskan mekanisme reaksi hidrolisis tersebut
25
Amonolisis ester Amonolisis ester merupakan reaksi pembentukan amida dari ester dan ammonia. Reaksi amonolisis ester sangat mirip dengan saponifikasi, karena NH3 merupakan suatu basa dan suatu nitrogen nukleofil seperti halnya ion hidroksida.
C
O
C
OCH3
+ NH3
O NH2 + CH3OH
Tugas Tuliskan mekanisme reaksi amonolisis di atas! Reaksi reagen Grignard dengan ester Reagen Grignard dapat memberikan karbon nukleofil (karbanion) yang sangat kuat yang dapat menyerang karbon karbonil dari ester dan menghasilkan keton. Reaksi selanjutnya dari keton dengan reagen Grignard berlebih yang diikuti hidrolisis oleh asam menghasilkan alkohol. 3
O 2 R C OR' + R'' MgBr 1
OMgBr O 5 -R'OMgBr R C OR' R C R'' R'' 4
+ R'' MgBr
OH R C R'' + MgClBr R''
H2O HCl
OMgBr R C R'' R''
Reduksi ester Reduksi ester dapat dilakukan menggunakan pereduksi LiAlH4 . LiAlH4 mirip dengan reagen Grignard, namun sebagai nukleofil adalah ion hidrida (H-) yang mirip dengan karbanion R- dalam reagen Grignard, sehingga hasil akhir reaksinya setelah hidrolisis adalah R-C-OH. Tugas Tuliskan mekanisme reaksi reduksi fenil asetat dengan LiAlH4 berlebih dan diikuti oleh hidrolisis dengan asam.
26
◘ Anhidrida asam Anhidrida asam diturunkan dari asam dengan mengambil airnya dari dua gugus karbonilnya,
O O R C OH HO C R
O O R C O C R anhidrida asam
Anhidrida asam yang paling banyak digunakan (lebih dari satu juta ton/tahun) adalah anhidrida asetat, digunakan sebagai bahan rayon (selulosa asetat) dan aspirin.
O O CH3 C O C CH3
anhidrida asetat
Asam dikarboksilat yang posisi strerik dua gugus karbonilnya memungkinkan dapat juga membentuk anhidrida, misalnya anhidrida maleat dan anhidrida ptalat.
O
O C C
C
C
O
O C O
anhidrida maleat
C O
anhidrida ptalat
Tugas: Tuliskan struktur anhidrida bensoat dan anhidrida butanoat Anhidrida asam lebih reaktif terhadap serangan nukleofil dari pada ester. Misalnya, anhidrida asetat dapat mengalami reaksi berikut:
+H OH
CH3 C CH3 C
CH3 C
O O
+H O R
CH3 C
O +H NH2
CH3 C
O
+
OH O
OR O NH2
CH3 C
+
CH3 C
+
CH3 C
O OH O OH O OH
Tugas Tuliskan mekanis reaksi terhada anhidrida asam di atas! Reaksi antara anhidrida asetat dengan asam salisilat ( asam o-hidroksibensoat) menghasilkan aspirin (asam asetil salisilat), karena gugus hidroksil fenolatnya diasetilasi. Aspirin yang diproduksi berdasarkan reaksi di atas mencapai 50 juta ton setahun. Aspirin digunakan sebagai obat pengurang rasa sakit. 27
Tugas Tuliskan mekanisme reaksi sintesis aspirin dengan asetilasi asam salisilat di atas. ◘ Asil Halida Asil halida merupakan turunan asam karboksilat yang paling reaktif, sehingga tidak dapat dihasilkan melalui substitusi nukleofil dari turunan asam karboksilat. Hal ini karena atom halogen sangat elektronegatip dan menjadikan atom karbon karbonil sangat positip. Asil halida yang paling umum digunakan adalah asil klorida, diantaranya adalah asetil klorida, dapat diperoleh dengan reaksi antara asam setat dengan tionil klorida, dengan fosporpentaklorida atau dengan fosportriklodida. Namun penggunaan tionil klorida (titik didih 70oC) paling menguntungkan, karena SO2 dan HCl merupakan gas O CH3 C
OH
O + Cl S Cl
CH3 C
O Cl
+ SO2 + HCl
tionil klorida
Asil klorida bereaksi sangat cepat dengan nukleofil, misalnya dengan air menghasilkan asam karboksilat, dengan alkohol menghasilkan ester dan dengan amonia menghasilkan amida. Reaksi dengan air belangsung sangat cepat, bersifat iritasi, karena itu bensoil klorida, misalnya, digunakan sebagai gas air mata.
CH3 C
O Cl
+ H OH
CH3 C
O OH
+ HCl
Tugas Tuliskan mekanisme reaksi asetil klorida dengan metanol menghasilkan metil asetat ◘ Amida Salah satu amida (amida komplek) terpenting di alam adalah protein. Amida sederhana dapat diperoleh dari hasil reaksi amonia dengan ester atau dengan asil halida atau anhidrida asam dan dapat pula dengan memanaskan garam amonium dari asam karboksilat. RCOONH4
RCONH2 + H2O
Ammonium karboksilat dapat dihasilkan berdasarkan reaksi asam basa biasa antara asam karboksilat dengan amonia,:
O R C OH + NH 3
O R C ONH 4
28
Amida diberi nama dengan menyebut nama asam dan mengganti akhiran oat atau at dengan amida HCONH2 = metanamida (formamida) CH3CONH2 = etanamida (asetamida) C6H5CONH2 = bensamida (bensanakarboksamida) Jika satu atau dua atom H yang terikat pada N amida diganti dengan gugus organik dihasilkan amida sekunder dan amida tersier.
O
CH3C
N
H
CH3C
O N
CH3
CH3 N,N-dimetilasetamida
CH3 N-metilasetamida
Meski ikatan amida C-N ikatan tunggal, namun rotasi ikatan tersebut sangat dibatasi, karena adanya struktur resonansi amida yang menjadikan seolah-olah ikatan C – N merupakan ikatan rangkap, sehingga molekul amida adalah planar.
CH3 C
O N
CH3 C
H
O N
H
H H
Amida bersifat polar dan dapat membentuk ikatan hidrogen antar molekulnya. Karena daya dorong elektron gugus alkil lebih besar dari pada hidrogen, maka amida primer paling polar dan memiliki titik didih yang paling besar.
O H C NH2 titik didih 210oC
O H C N(CH3)2 153oC
O
O
H3C C NH2 222oC
H3C C N(CH3)2 165oCsebagai
Gugus amino pada posisi δ atau γ dalam asam karboksilat dapat membentuk (hampir selalu) amida siklis yang disebut laktam. Meskipun juga dapat terbentu, β-laktam sangat reaktif karena adanya regangan ikatan dan akan segera membuka dengan adanya reagen nukleofil.
O NH O α γ 2β CH3 CH CH2 CH2 C OH
NH CH3
γ -laktam
29
Tugas Sebagai turunan asam karboksilat, hidrolisis amida, baik dalam asam atau basa, menghasilkan asam karboksilat. Tuliskan mekanisme reaksinya! Reduksi amida, misalnya menggunakan LiAlH4 menghasilkan amina. Bagaimana tahap-tahap reaki pembuatan bensilamina (C6H5 CH2 NH2) dari asam bensoat?
◘ Nitril Nitril digolongkan juga sebagai turunan asam karboksilat, meski tidak mengandung gugus karbonil, tetapi akan menghasilkan asam karboksilat pada hidrolisis. Nitril juga dikenal sebagai sianida organik, sehingga dapat dibuat dengan mereaksikan alkil halida dengan NaCN.
HC N = asam sianida RC N = nitril
CH3CH2Cl + NaCN
CH3CH2CN + NaCl
Nitril juga dihasilkan dari reaksi pada suhu 100oC antara amida dengan anhidrida asam asetat atau dengan fospor pentoksida,
O R C NH2
+
P2O5
R C N +
(CH3COO)2O
H3PO4 CH3COOH
Nitril diberinama dengan menyebut nama asam dan mengganti akhiran oat atau at dengan nitril atau dengan nama alkil + sianida. CH3CN = etananitril (metil sianida) CH3CH2CH2CN = butananitril (propilsianida) Nitril dapat dihidrolisis baik oleh asam maupun oleh basa menghasilkan asam karboksilat. Dalam hidrolisis dengan asam, pertama terjadi protonasi atom nitrogen dari nitril sehingga atom karbon nitril menjdai positip yang mudah diserang oleh nukleofil oksigen dari air sehingga melalui beberapa tahap reaksi menghasilkan asam karboksilat dan ion amonium. Sedangkan dalam suasana basa, basa akan menyerang karbon nitril dan dengan beberapa tahap reaksi yang melibatkan air akhirnya dihasilkan ion karboksilat dan amonia.
30
Dalam reaksi substitusi nukleofil turunan asam karboksilat, gugus pergi (leaving group) dapat dikelompokkan menjadi: baik
: Cl-, HS-, RCOO-
menjadi baik setelah protonasi: -OH, -OR, -NH2, -NR2 tidak baik: H-, CSifat asam Hidrogen alfa dari ester Karena efek induksi gugus karbonil dari suatu ester, hidrogen alfa merupakan suatu asam yang lebih kuat dari pada hidrogen yang terikat pada atom C beta atau yang lebih jauh, sehingga atom hydrogen alfa bisa ambil oleh suatu basa kuat dan menghasilkan enolat ester.
H O basa C C C β α OR
C C
O OR
C C
O OR
Basa kuat yang sering digunakan untuk membentuk enolat ester adalah natrium alkoksida. Enolat ester dapat bertindak sebagai nukleofil terhadap atom C karbonil molekul ester lain (ingat reaksi kondensasi aldol!).
CH3
O O α C O CH2 CH3 + CH3 C O CH2 CH3 etil asetat
NaOCH2CH3 EtOH
CH3
O O α C CH2 C O CH2 CH3
etil asetoasetat/etil-3-oksobutaoat
Di dalam etanol, Na-etanoat atau NaH akan diionkan, ion etoksi atau hidrida akan menarik H+ α dari etil asetat yang bersifat asam, menjadikan atom C α bermuatan negatip dan bersifat sebagai Nukleofil yang baik, yang mampu melakukan substitusi gugus etoksi dari etil asetat (ester) yang lain. Reaksi ini di sebut kondensasi Claisen.
31
H3C
H3C
O H α CH2 O C C H etil asetat H O H α CH2 O C C etil asetat H
NaO CH2 CH3
+ CH3
O C O CH2 CH3 etil asetat
O CH3 C O CH2 CH3 H C αH C O O CH2 CH3
CH3
O H O α C C C O CH2 CH3 + H
O CH2 CH3
etil asetoasetat
O O α CH3 C C C O CH2 CH3 H O O O O C C C C C OC2H5 CH3 H3C C OC2H5 Untuk mengakhiri reaksi di atas, larutan di asamkan sehingga menghasilkan suatu ester-β-keto. Ester -β-keto sangat penting pada sintesis organik. Misalnya etil asetoasetat dapat diubah menjadi etil butanoal melalui reduksi gugus keton (dengan NaBH4) diikuti dengan eliminasi H2O (dengan katalis asam) dan hidrogenasi (katalis Pt).
32
AMINA DAN SENYAWA NITROGEN Amina: turunan organik dari ammonia, yaitu dengan mengganti satu, dua atau tiga atom hidrogen dari ammonia dengan gugus organik.
H N H H ammonia
R N H H amina primer
R N H R amina sekunder
R N R R
amina tersier
Tatanama: - menyebutkan gugus alkyl yang terikat pada atom N diikuti dengan amina
CH3CH2NH2 = Etilamina (CH3CH2)2NH = Dietilamina (CH3CH2)3N = Trietilamina - Dengan menyebut gugus –NH2 sebagai gugus amino
CH3CH2NH2 = Aminoetana CH3NHCH 2CH2CH3 = 1-Metilamino propana CH3N(C2H5)CH2CH2CH3 = 1- (etilmetilamino) propana N(CH3)2
= dimetilamino sikloheksana
- Dinamakan sebagai alkanamina
CH3CH2NH2 = Etanamina CH3NHCH2CH2CH3 = N-Metilpropanamina CH3N(C2H5)CH2CH2CH3 = N-Etil-N-metil-1-propanamina N(CH3)2 = N,N-Dimetilsikloheksanamina
- Gugus –NH2 sebagai substituen dinamakan sebagai gugus amino: NH2 CH3-CH-CH2COOH = asam 3-aminobutanoat O H2NCH2-CH2-C CH2-CH3 = 1-Amino-3-pentanon
33
- Amina aromatik sering dinamakan sebagai turunan anilin
NH2 = anilin = benzanamina = fenil amina N(CH3)2 = N,N-Dimetilanilin
Tugas Tuliskan struktur kimia dipropilamina, pentametilanilina, 3-aminoheksana, isobutilamina Sifat-sifat amina Sifat fisika suatu amina berhubungan dengan strukturnya. Posisi gugus organik di sekitar atom N mirip dengan ammonia.
N H
H H
Pasangan electron bebas pada atom N menjadikan ammonia dan amina bersifat polar. Antar molekul amina dapat membentuk ikatan hidrogen meski tidak sekuat alkohol, sehingga amina mendidih dan meleleh pada suhu yang lebih tinggi dari pada alkana yang setara. Amina sederhana dengan atom karbon kurang dari 6 larut dalam air. Pembuatan amina: Mereaksikan ammonia dengan alkil halida (alkilasi): Tahap 1, substitusi nukleofil (SN2): 2
1
R-X +
R-NH3+ X-
NH3
alkilamonium halida
Tahap 2, pembebasan amina dengan mereaksikan alkilamonium halida dengan basa:
R-NH3+ X- + NaOH
R-NH2
H2O + NaCl
Amina primer dapat dialkilasi lebih lanjut untuk menghasilkan amina sekunder dan seterusnya sehingga menghasilkan amina terseier.
R-X + R-NH2
NaOH
R2NH 2
Tuliskan reaksi antara anilin dengan CH3I ! 34
Alkilasi juga dapat terjadi dalam satu molekul (intramolekul).
N
Br CH2 CH2 CH CH2 NH CH3
N CH3
-HBr N
nikotin
Alkilamonium halida dan amonia pada reaksi di atas membentuk kesetimbangan:
RNH3 X
NH4 X
NH3
RNH2
Agar alkilasi lebih banyak menghasilkan amina primer, maka harus digunakan NH3 berlebih. Iktan N-H dalam amina merupakan bentuk tereduksi dari nitrogen, sedangkan ikatan N-C dan NO merupakan bentuk yang teroksidasi. Karena itu, amina dapat dihasilkan dengan mereduksi senyawa yang lebih teroksidasi.
NO2
NH2
H 2 , katalis Ni
H3 C
H3 C
Reduksi amida dan nitril dengan LiAlH4 juga menghasilkan amina,
O R C NHR'
R C N
L iAlH 4
LiAlH4
R CH 2 NHR'
R CH2 NH2
Sifat basa amina Pasangan elektron bebas pada nitrogen amina menjadikan amina bersifat basa atau nukleofil
N + H-OH amina
N-H OH alkilamonium hidroksida
Ion alkil amonium merupakan asam konjugat dari basa amina, 35
Kesetimbangan asam basa ion alkilamonium:
RNH2 + H3O+
R-NH3 + H2O asam
basa
Semakin besar kekuatan asam ion alkilaminium (Ka), semakin kecil kekuatan basa aminanya. Tuliskan tetapan kesetimbangan asam ion alkilaminium! Mana yang merupakan basa lebih kuat, CH3NH2 atau (CH3)3N? Ka CH3NH3+ = 2.29 x 10-10 dan (CH3)3NH+ = 1.69 x 10-10 Secara umum, semakin besar kemampuan mendorong elektron suatu alkil, semakin tinggi kekuatan basa aminanya. Mana yang lebih besar kekuatan basanya, anilina atau sikloheksilamina? Dalam anilina, pasangan elektron disebarkan melalui resonansi, tidak dipusatkan hanya pada N, sehingga menstabilkan bentuk tidak terprotonkan dan meningkatkan sifat asamnya.
NH2
NH2
NH2
NH2
Pasangan elektron dalam sikloheksana hanya terlokalisasi di sekitar atom N, menjadikan sifat basanya meningkat.
NH2
Penyebaran pasangan elektron bebas (delokalisasi) di sekitar atom N melalui resonansi juga terjadi pada amida. Sifat basa amida jauh lebih kecil dari pada amina yang setara. Gambarkan resonansi dalam amida! Karena sifat basanya, amina bereaksi dengan asam kuat (dan asam organik) menghasilkan garam amoniumnya. Tuliskan reaksin reaksi antara HCl dengan: a. CH3CH2NH2
b. (CH3)3N 36
Konsep ini digunakan untuk memisahkan hasil reaksi pada sintesa p-toluidina dengan mereduksikan p-nitrotoluena. Tuliskan reaksinya! Amina berfungsi sebagai nukleofil, mengikuti SN2. Bereaksi dengan asil halida atau anhidrida asam menghasilkan amida dan asam (asam halida atau asam organik). Tuliskan reaksi substitusi nukleofil antara: a.
anilina + anhidrida asetat
b.
dietilamina + benzoil klorida
Anilina bereaksi dengan asam nitrit pada 0oC menghasilkan senyawa diazonium (bersifat basa) dan bereaksi dengan asam menghasilkan garam diazonium
NH2 + HNO2 + HCl
N N Cl + H2O benzenadiazonium klorida
HNO2 merupakan senyawa yang tidak stabil pada suhu kamar. Umumnya disiapkan dari garam nitrit (NaNO2) dengan asam dan disimpan pada suhu rendah. Di dalam asam, asam nitrit akan menghasilkan ion nitrosonium (NO+).
HO-N=O
H+
H+ HO-N=O
H2O + N=O
Anilina, sebagai nukleofil akan menyerang ion nitrosonium, diikuti lepasnya proton, kemudian protonasi pada atom oksigen diikuti eliminasi molekul air dan menghasilkan ion diazonium.
NH2
N=O
N N
H N N O H
H N=N=O H+
H N=N-O-H
ion benzenadiazonium
37
Ion diazonium cukup stabil pada 0oC, sangat berguna dalam sintesis organik berdasarkan substitusi nukleofil. Gugus diazonio (-N2+) akan disubstitusi oleh nukleofil dan dilepaskan sebagai gas nitrogen.
Ar Nu + N2
Ar-N≡N + Nu
Misalnya
N N
CN
+ K CN Ion arildiazonium merupakan suatu elektrofil. Karena muatan positip dari ion itu dapat didelokalisasi dalam struktur resonansinya, maka bersifat sebagai elektrofil lemah.
N N
N N
Ion arildiazonium sebagai elektrofil dapat melakukan reaksi substitusi elektrofilik aromatik dengan cincin aromatik yang teraktifkan (umumnya tersubstitusi pada posisi para) melalui reaksi coupling diazo, misalnya fenol atau anilina menghasilkan senyawa azo.
N N
N N
N N
H
+
OH
O
O
senyawa azo
Semua senyawa azo adalah berwarna, sehingga digunakan sebagai zat warna komersial dalam industri tekstil atau fotografi. Salah satu senyawa azo yang digunakan sebagai indikator asam basa adalah metil orange yang berwarna kuning pada pH >4,5 dan berwarna merah pada pH<3.
N N metil orange (CH3)2N
SO3 Na
Tugas - Tuliskan jalur sintesis metil orange dari N,N-dimetilanilina dengan asam paminobensenasulfonat.
38
-
Bagaimana reaksi antara anilina dengan asam klorida, trietilamina dengan asam sulfat, dietilamonium klorida dengan NaOH dan sikloheksilamina dengan anhidrida asetat.
39
