KONTROL KINETIK DAN TERMODINAMIK DALAM REAKSI KARBONIL
AT AU SE NY AWA OR G AN I K Beberapa reaksi kimia mempunyai kemampuan untuk menghasilkan lebih dari satuproduk. Jumlah relatif dari produk yang dihasilkan lebih sering tergantung pada kondisi reaksi saat reaksi berlangsung. Perubahan pada jumlah reaktan, waktu, temperatur, dan kondisi yang lain dapat memperngaruhi distribusi pembentukan produk dari reaksikimia tersebut. Alasannya dapat dimengerti dari dua konsep penting yaitu: 1. Stabilitas relatif secara termodinamik dari produk yang dihasilkan. 2. Kecepatan relatif secara kinetik pada saat produk terbentuk. Kinetika berkaitan kecepatan reaksi, termodinamika berkaitan dengan stabilitas intermediet atau produk yang terjadi.Reaksi karbonil merupakan contoh reaksi yang menarik untuk membahas kontrol reaksi. Hal ini dikarenakan banyaknya produk yang bisa saja terbentuk jika tidak dikontrol secara ketat. Ini berkaitan dengan adanya “diverse reactivity” senyawa karbonil. Di satu sisi dia bisa berperilaku sebagai elektrofil, namun juga bisa bersifat nukleofil pada kondisi tertentu.Satu contoh misalnya pada reaksi Aldol, dengan 2 reaktan (A dan B) yang sama-sama mempunyai hidrogen alfa, maka kemungkinan reaksi yang terjadi: A + A, A + B, B +A, dan B + B. Artinya, selain adanya kondensasi silang, juga terdapat selfcondensation. Belum selesai masalah tersebut jika ternyata senyawa A ata B berupa molekul asimetri sehingga adanya 2 kemungkinan H alfa yang menghasilkan intermediet yang berbeda (regioselektivitas). Lalu bagaimana kontrol reaksi pada reaksikondensasi senyawa karbonil dalam hal kontrol kinetik dan termodinamik? Pada makalah ini sebagai pendahuluan akan dipaparkan tentang definisi kemoselektivitas dan regioselektivitas, merupakan faktor penting yang harus diperhitungkan dalam reaksi. Bagian kedua tentang pembahasan mengenai kontrol pada 2 self-condensation dan reaksi intramolekular. Bagian ketiga membahas kontrol pada kondensasi silang, dilakukan dengan 2 pendekatan yaitu: i) menggunakan reaktan yang salah satunya tidak bisa mengalami enolisasi (cannot enolise), ii) menggunakan equivalen enol spesifik. Kemoselektivitas dan Regioselektivitas Dalam reaksi dikenal istilah kemoselektivitas dan regioselektivitas. Kedua selektivitas tersebut dapat dikontrol dengan cara kinetika dan termodinamika. Namun sebelumnya,apakah pengertian kemoseletivitas dan regioselektivitas? Kemoselektivitas adalah memilih untuk dapat mereaksikan salah satu gugus fungsional dari dua gugus yang berada pada satu molekul. Contoh pada senyawa karbonil, yang bisa berperan sebagai nukleofil nukleofil (sebagai enolat) dan dan juga elektrofil. Regioselektivitas adalah memilih untuk dapat mereaksikan salah satu dari gugus fungsional yang sama pada satu molekul. Contoh keton asimetris, yang memiliki dua atom C alfa yang bisa berperan sebagai nukleofil.
Pengertian kinetik dan termodinamik enolat
Senyawa karbonil yang memiliki H alfa jika diperlakukan pada kondisi asam, akan membentuk enol, sedangkan pada kondisi basa membentuk ion enolat . Kondisi asam 3 termasuk kontrol termodinamik karena mengacu pada kestabilan intermediet (enol).Sedangkan kondisi basa, termasuk kontrol kinetik karena mengacu pada terbentuknya ion enolat yang berjalan cepat.Perlakuan metil keton dengan LDA biasanya menghasilkan hanya lithium enolat pada sisi metil. Enolat ini terbentuk cepat, dan berikutnya dikenal dengan nama enolatkinetik. Alasan terbentuk cepat: a. proton pada gugus metil adalah lebih asam b. terdapat tiga H alfa pada sisi metil dibandingkan 2 H alfa pada sisi lainnya c. terdapat hambatan sterik pada penyerangan LDA pada sisi lain dari gugus karbonil. Contoh sederhana yaitu kondensasi antara pentan-2-on dengan butanal menghasilkan produk aldol kemudian mengalami dehidrasi menjadi enone (oct-4-en-3-on) dengankatalis asam. Reaksi ini dikenalkan oleh Gilbert Stork pda tahun 1974.Enolat lithium kinetik ini stabil pada THF pada suhu – 78 °C dalam waktu yang singkat, namun dapat disiapkan pada suhu ruangan dalam bentuk silil eter. Jadi, dapat disimpulkan bahwa enolat kinetik adalah enolat yang terbentuk pada sisi keton yang kurang tersubstitusi. Sedangkan enolat termodinamik yaitu enolat yang terbentuk pada sisi keton yang lebih tersubstitusi. Hal ini dapat dijelaskan yaitu sama seperti alkena, suatu enol atau enolat 4 akan lebih stabil pada posisi yang lebih tersubstitusi. Contoh yang paling sukses dari enol silil termodinamik adalah 1-fenilpropan-2-on.Rangkuman perbandingan enolat termodinamik dan kinetik: Problem Dalam Sintesis Enona: Pengantar Diperlukannya Kontrol Reaksi Contoh sintesis enona , yaitu alkena keton suatu α,β-unsaturated karbonil, didiskoneksi menghasilkan starting material keton dan aldehida sebagai berikut.Reaksi sintesis sebagai berikut:5 Sebuah analisis diskoneksi yang sederhana, namun sebenarnya ketika sudah sanpai ke tahap sintesis akan ditemui banyak kerumitan. Pertanyaannya, apakah reaksi sintesis tersebut dapat berjalan sesuai yang kita harapkan dan memberikan produk seperti yang kita inginkan? Ada 3 masalah yang timbul ketika sintesis dilangsungkan jika dilakukan pada kondisi di atas. 1. Kita menginginkan senyawa keton (2) berenolisasi, namun ternyata senyawa aldehida (3) bisa juga berenolisasi. Bahkan, senyawa (3) lebih mudah berenolisasi karena hanya mengikat satu metil saja, berbeda dengan senyawa 2 yang mengikat 2 metil. Semakin banyak metil yang diikat C karbonil maka elektrofilisitasnya semakin berkurang karena adanya induksi dari metil,sehingga H alfa semakin sukar untuk dilepaskan. 2. Kita menginginkan senyawa keton (2) berenolisasi pada C alfa pada metil agar dapat memberikan struktur enolat (4) sehingga bisa menyerang senyawa aldehid(3). Namun pada kenyataannya C alfa pada benzilik lebih disukai untuk berenolisasi karena adanya stabilisasi produk dari cincin melalui resonansi. 3. Kita menginginkan enolat (4) yang akan menyerang aldehida (3). Namun, padakenyataannya enolat (4) bisa juga menyerang keton (2) melalui O - karbonil Berdasarkan hal-hal di atas, maka kita harus bisa mengontrol reaksi dengan memperhatikan pertanyaan-pertanyaan berikut: senyawa mana yang terenolisasi? Pada sisi mana dia terenolisasi? Senyawa mana yang berfungsi sebagai nukleofil dan elektrofil? O
Reaksi Intramolekular
Reaksi intramolekuler merupakan pertengahan batas antara self-condensation dan kondensasi silang. Walaupun hanya satu molekul, namun 3 pertanyaan tersebut bisa mjadi muncul bersamaan. Karena reaksi kondensasi karbonil biasanya reversibel,sehingga rute yang membentuk cincin anggota lima atau enam yang stabil lebih dipilih secara termodinamik. Walaupun demikian, reaksi intramolekuler lebih mudah dikontrol dibanding reaksi bimolekuler. Kontrol Dalam Kondensasi Silang I: Penggunaan Senyawa yang Tidak Dapat Dienolisasi Senyawa yang tidak dapat dienolisasi akan berfungsi sebagai komponen elektrofil dalam reaksi kondensasi. Dalam reaksi kondensasi, penggunaan senyawa ini sangat menguntungkan karena mbisa meminimlkan campuran produk yang tinggi. Berbagai senyawa dalam kategori ini misalnya formaldehida dan t-butil aldehida.
Mannich Penggunaan formaldehida sebagai senyawa yang tidak enolisable, dengan demikian posisinya adalah sebagai elektrofil. Namun, formaldehid sangatlah reaktif dan sulit dikendalikan. Gambaran kereaktifan dari formaldehid, contoh reaksi asetaldehid dengan formaldehid akan terjadi produk dimana produk aldol bisa bereaksi lagi dengan formaldehid membentuk produk aldol kedua, dan seterusnya. Diakhiri dengan reaksi Cannizaro membentuk produk pentaerythritol , C(CH2OH)4, bisa Oleh karena itu, kita membutuhkan formaldehida yang “lunak” (kurang reaktif), hal itu dapat dilakukan dengan mereaksikannya dengan amina skunder, yang populer dengan basa Mannich . Basa Mannich merupakan suatu β-amino keton, atau resonance stabilized imine (iminium ion atau imine salt). Basa Mannich mudah diisolasi, stabil disimpan, tidak harus dimurnikan, bisa diubah menjadi produk kondensasi formaldehida yang kurang stabil.Kondisi pH diatur pada nilai 4-5 supaya amina tidak terprotonasi karena jika terlalu asam (pH diturunkan) maka amina bisa terprotonasi yang pada akhirnya tidak dapat bersifat sebagai nukleofil. Amina yang sering digunakan adalah pirolidin dan piperidin. Mekanisme reaksi pembentukan basa Mannich dimulai dengan formasi ion iminium yang berasal dari reaksi amina dan formaldehida.Karena reaksi berlangsung pada konsisi asam, maka senyawa dengan gugus karbonil dalam hal ini adalah keton, dapat bertaumerisasi menjadi bentuk enol, selanjutnya dapat menyerang ion iminium (basa Mannich).
Penggunaan Senyawa Nitro Alifatik Apa keistimewaan senyawa ini? Senyawa nitroalkana bisa bersifat mengenolisasi tetapi tidak dapat berposisi sebagai elektrofil. Anion yang terbentuk dinamakan nitronates,yang bisa bereaksi dengan aldehida atau keton. Contoh kasus, reaksi nitrometana dengan sikloheksonon. Kedua senyawa dapat mengalami enolisasi. Namun, nitrometana akan mudah mengalami enolisasi karena p K a keton pada umumnya sekitar 20, tetapi pada nitrometana hanya 10. Sehingga tidak diperlukan basa yang kuat misal NaOH (p K aH = 15.7) untuk mendeprotonasi nitrometana. Basa yang sering digunakan adalah suatu amina atau amina skunder yang memiliki p K aH sekitar 10.Dalam reaksi bisa digunakan senyawa nitro alifatik nitrometana atau 2-nitro propana dengan keuntungan sebagai berikut: 1. Gugus nitro tidak peka terhadap serangan nukleofil. 2. Gugus nitro adalah penstabil anion yang sangat kuat. 3. Gugus nitro dapat diubah menjadi amina dengan cara reduksi. 4. Gugus nitro dapat diubah menjadi keton dengan cara hidrolisis.
Nitroalkana dapat berkondensasi dengan aldehida dan keton, dan ikatan rangkap C=C dan gugus NO2 dapat direduksi dalam satu langkah reaksi menjadi amina. Keuntungan tambahan yaitu, produk dari reaksi ini mampu menyediakan suatu senyawa α,β-unsaturated karbonil yang bermanfaat sebagai akseptor pada reaksi addisi Michael. Kontrol Dalam Kondensasi Silang II: Penggunaan Ekivalen Enol Spesifik Untuk mengatasi masalah kemoselektivitas dan regioselektivitas dapat dilakukandengan menggunakan ekivalen enol spesifik. Yaitu menggunakan pereaksi yangberkelakuan sebagai enol spesifik pada posisi yang diinginkan dienoliasi.Ekivalen enol spesifik adalah intermediet yang masih mempunyai reaktivitas enol atau enolat namun cukup stabil untuk disiapkan dengan hasil yang baik dari senyawakarbonil tanpa reaksi aldol.
E nolate Litium Enolat litium biasanya dibuat pada temperatur yang rendah dalam THF dengan basa amida yang terhalangi (LDA) dan stabil pada kondisi tersebut karena ikatan yang kuat O-Li. Formasi enolat diawali dengan formasi ikatan Li-O sebelum penghilangan proton pada posisi alfa oleh atom nitrogen basa.Reaksi ini berjalan dengan sangat cepat, sehingga tidak memberi kesempatan kepada senyawa karbonil untuk melakukan self-condensation. Namun, keadaan akan berbeda jika senyawa karbonil yang digunakan adalah senyawa aldehida. Untuk membuat enolat litium dari aldehid bisa digunakan i-PrCHO, tapi secara umum pada aldehid peristiwa self-condesation berlangsung begitu cepat.Sehingga diperlukan cara khusus jika kita menginginkan enolat litium yang berasal dari aldehida (tidak dibahas di sini).Jika senyawa karbonil kedua ditambahkan, misal PhCHO maka akan terjadi reaksi aldoldengan formasi menguntungkan tingkat transisi siklik anggota enam sebagai berikut:
Silyl enol ethers Silyl enol ether dapat disiapkan dari senyawa karbonil induk dengan membentuk konsentrasi kecil kesetimbangan ion enolat dalam basa lemah seperti amina tersier dan menhjerap enolat dengan elektrofil yang efisien oksigen Me3SiCl. Silyl enol ether cukup stabil untuk diisolasi dan biasanya dibuat segera tanpa melewati penyimpanan.
Reagen Konjugat Wittig dan Zinc E nolat (Reformatsky) Reagen Wittig dapat dibuat dari senyawa α-halo-karbonil dan dapat berperilaku seperti enol spesfik membentuk senyawa unsaturated karbonil. Reaksi umum:Bagaimana suatu intermediet Ilida bisa dikatakan sebagai enolat? Berikut mekanismenya, dengan menggunakan basa lemah bisa terbentuk suatu struktur phosphorane.Pada tahap penyerangan ke elektrofil, menariknya senyawa unsaturated karbonil langsung terbentuk. Zinc enolat, bisa sebagai alternatif bagus dari litium enolat. Dibuat dari bromoester, dan mekanisme pembentukannya mirip dengan reagen Grignard. Zink enolat bereaksi bersih.dengan aldehid atau keton membentuuk produk aldol, dan tidak ada kekhawatiran adanya self-condensation dan dia tidak bereaksi dengan ester.Zinc, seperti magnesium mendonorkan dua elektron dalam bentuk oksidasi dari Zn(0)menjadi Zn(II). Ion enolat ini dinamakan reagen Reformatsky dan sering digambar sebagai senyawa C-Zn dan bukan yang ini.
Bentuk enol spesifi k aldehida: E namina dan Aza-enolat Bentuk enol spesifik yang baik untuk aldehida adalah enamina. Enamina mudah dibuat dari senyawaan karbonil dan amina skunder, dapat diisolasi dan stabil. Reaksi ini dinamakan reaksi Stork-enamina atau alkilasi Stork-enamina. Merupakan adisi enamina pada α,β-unsaturated karbonil (suatu akseptor), dan ini mirip dengan reaksi addisi Michael. Kemudian, produk dihidrolisis pada kondisi asam menghasilkan senyawa 1,5-dikarbonil (diketon). Contoh reaksi siklopentanon dengan piperidin (amina skunder)dalam suasan asam pH ± 5 akan menghasilkan enamina. Enamina dapat direaksikan
dengan α,β-unsaturated karbonil (3-buten-2-on) mendapatkan senyawa diketon.Jika elektrofil adalah asil halida, maka dihasilkan 1,3-diketon (asilasi Stork). Aza-enolate adalah enolat litium dari imina yang diturunkan dari aldehida.Sikloheksilamin memberikan imina stabilwalaupun dengan asetaldehida, dapat diisolasi dan dapat di-lithiated dengan LDA membentuk aza-enolate. Mekanisme semilar dengan formasi lithium enolat, yaitu atom Li yang terikat pada oksigen, sedangkan pada azaenolatatom Li menempel pada nitrogen.
Contoh reaksi dengan aldehid.
E kuivalen E nol Spesfik dari Senyawa 1,3-dikarbonil Dua senyawa berikut telah lama digunakan dan dikenal luas juga sebagai gugus aktivator. Senyawa etilasetoasetat dan asam malonat sangat baik, tidak mensyaratkan suhu rendah atau kondisi spesial. Jika senyawa tersebut sangat mudah dienoliasi, pertanyaannya mengapa mereka tidak melakukan self-condesation? Oh tidak semudah itu, setidaknya ada dua jawaban yang bisa menjelaskan hal tersebut: 1. Enol yang terbentuk sangat stabil 2. Gugus karbonil pada fraksi yang terenoliasi merupakan elektrofil yang lemah sebagai ester dan keton, dan gugus karbonil yang dalam bentuk enol bersifat tidak elektrofil karena konjugasi. Kondensasi Knoevenagel Merupakan bagian dari penggunaan senyawa enol spesifik 1,3-dikarbonil. Pada reaksi Knoevenagel digunakan basa organik yaitu piperidin atau piridin, bukan NaOH atau KOH karena kedua basa ini bisa bereaksi dengan asam karboksilatnya membentuk garam malonat.Reaksi di atas merupakan reaksi kondensasi Knoevenagel modifikasi Doebner, dengan mereaksikan aldehida dan asam atau ester malonat menggunakan basa piperidin menghasilkan suatu senyawa α,β-unsaturated karbonil. H alfa ditingkatkan keasamannya karena diapit oleh dua gugus aktivator – COOEt. Enolat ini menjadi spesifik dengan penambahan 2 atom C membentuk suatu asam karboksilat α,β-unsaturated. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut: Pertama, adalah pembentukan enolat dari ester malonat dengan abstraksi H alfa oleh piperidin.
Kedua, penyerangan enolat ke aldehid, dan abstraksi H alfa lainnya. Tahap terarakhir dalam reaksi ini adalah perisitiwa dehidrasi (dengan tambahan pemanasan) dan dekarboksilasi melepas CO2 membentuk senyawa α,β-unsaturated karbonil.
Daftar Pustaka Clayden, J., 2000, Organic Chemistry, E-book Organic Chemistry Portal, 2010, Knoevenagel Condensation, Doebner Modification, http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/knoevenagelcondensation. shtm, Desember 2010 Wikipedia, 2010, Mannich reaction, http://en.wikipedia.org/wiki/Mannich_reaction,
Desember 2010 Warren, S., 1994, Sintesis Organik: Pendekatan Diskoneksi, diterjemahkan oleh M. Samhoedi Reksohadiprodjo, GMU Press, Yogyakarta. Warren, S., 1995, Buku Kerja Untuk Sintesis Organik: Pendekatan Diskoneksi, GMU Press, Yogyakarta.
