LAPORAN PRAKTIKUM KIMIA KOMPUTASI TEGANGAN CINCIN PADA SIKLOALKANA DAN SIKLOALKENA
Nisa Primasari Arofah 12/334728/PA/14960
Jumat, 20 Maret 2015 15.00-17.00
Laboratorium Kimia Komputasi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada Yogyakarta 2015
TEGANGAN CINCIN PADA SIKLOALKANA DAN SIKLOALKENA
i. TUJUAN Menentukan tegangan cincin dalam sikloalkana dan sikloalkena dengan perhitungan semi empiris AM1
ii. DASAR TEORI Sikloalkana ialah alkana yang disusun dalam gelang. Ia mempunyai formula C nH2n. Sikloalkana dinamakan dengan menambahkan awalan siklo kepada nama alkana yang menunjukkan bilang atom karbon dalam gelang. Biasanya, sikloalkana ditulis dengan menggunakan struktur garis ikatan (Mahmood, 2004) Sikloalkana dengan jumlah atom karbon lebih dari tiga akan membentuk lipatan/lekukan, sehingga tidak membentuk bidang datar. Meskipun lekukan menjadikan ikatan salah satu sudut C-C-C lebih kecil daripada bila membentuk bidang datar, namun dengan lekukan maka atom-atom hidrogen menjadi kurang eclips, sehingga tegangan dan tolakan antar atom membentuk struktur yang paling stabil. Terjadinya lekukan cincin lingkar dengan enam karbon menghasilkan konformasi kursi. Dengan bentuk kursi, sudut ikatan C-C menjadi sama dengan sudut ikatan tetrahedral dan posisi atom hidrogen yang terikat pada atom karbon di sebelahnya staggered, sehingga tolakan antara atom H menjadi minimum (Boyd, 1991). Adisi katalitik gas hidrogen suatu alkena atau alkuna adalah suatu reduksi dari senyawa berikatan π. Reaksi iut bersifat umum untuk alkena, alkuna dan senawa lainya dengan ikatan π.
Rekasi Hidrogenasi bersifat eksoterm, tetapi reaksi ini tidak berjalan secara spontan karena energi pengaktifan yang sangat tinggi. Kalor hidrogenasi suatu alkena ialah selisih energi antara alkena dan alkana produknya. Kalor ini dihitung dari banyaknya kalor yang dibebaskan dalam suatu reaksi hidrogenasi (Fessenden, 1982).
iii. HASIL DAN PEMBAHASAN TEGANGAN CINCIN PADA SIKLOALKANA DAN SIKLOALKENA sudut ikat ∆H pembentukan Sikloalkana panjang CC (kkal/mol) CCC
dihedral HCCH
siklopropa
17,66322164
1,50113
60
-3,30E-11
siklobutana
-1,14707083
1,543221
90
-1,70E-06
siklopentana
-28,99669212
1,54382
106,286
10,9087
sikloheksana
-38,7822397
1,51519
111,313
55,5044
sikloheptana
-37,95316891
1,51228
114,424
68,4364
propana
-24,40771132
1,50716
111,8
61,5224
butana
-31,31077807
1,5067
111,604
61,3698
pentana
-38,19760649
1,50681
111,548
61,3797
heksana
-45,08554035
1,5068
111,543
61,3748
heptana
-51,97333131
1,50681
111,541
61,3747
siklopropena
74,72495771
siklobutena
45,62910967
siklopentena
2,801563592
sikloheksena
-10,27024843
cis-sikloheptena
-10,72833798
trans-sikloheptena
24,53022735
Telah dilakukan percobaan tegangan cincin pada sikloalkana dan sikloalkena dengan tujuan Menentukan tegangan cincin dalam sikloalkana dan sikloalkena dengan perhitungan semi empiris AM1. Sikloalkana dengan jumlah atom karbon lebih dari tiga akan membentuk lipatan/lekukan, sehingga tidak membentuk bidang datar. Meskipun lekukan menjadikan ikatan salah satu sudut C-C-C lebih kecil daripada bila membentuk bidang datar, namun dengan lekukan maka atom-atom hidrogen menjadi kurang eclips, sehingga tegangan dan tolakan antar atom membentuk struktur yang paling stabil. Cara sederhana untuk menentukan kekengan cincin pada sikloalkana maupun sikloalkena adalah dengan menentukan padas reaksi dari hidrogenasi untuk setiap sikloalkana maupun sikloalkena. Reaksi hidrogenasi merupakan reaksi reduksi yang menghasilkan penambahan atom hidrogen ke dalam suatu molekul (biasanya sebagai H2). Reaksi ini termasuk ke dalam reaksi adisi karena terjadi penambahan atom. Senyawa yang bisa dihidrogenasi adalah senyawa yang kurang jenuh (unsaturated)
yaitu golongan alkena dan alkuna. Penambahan hidrogen ke dalam senyawa tersebut akan menambah tingkat kejenuhannya. Energi untuk reaksi hidrogenasi digunakan panas pembentukan produk (ΔH f.produk) dikurangi panas pembentukan reaktan (ΔH f.reakta n). Persamaan yang
diperoleah adalah sebagai berikut: o reaksi
ΔH
o f.produk -
= ΔH
o f.reaktan
ΔH
Dan digunakan panas pembentukan dari H 2 sebesar -5,2 kkal/mol. Energi reaksi hidrogenasi dari setiap sikloalkana menjadi alkana diperoleh data:
sikloalkana
∆H⁰ reaksi
(kkal/mol)
energi kekangan literature (kkal/mol)
siklopropana
-36,87093296
27,6
siklobutana
-24,96370724
26,4
siklopentana
-4,00091437
6,5
sikloheksana
-1,10330065
0
sikloheptana
-8,8201624
>0
Harga yang energi yang diperoleh bernilai negative hal ini menunjukkan bahwa reaksi berjalan eksoterm yaitu reaksi melepaskan panas. Energi yang diperoleh dari hasil perhitungan dengan hasil eksperimen dalam literatur menunjukkan penyimpangan yang sangat signifikan. Hal ini dapat dijelaskan dalam teori baeyer, dimana sikloalkana dianggap cincin-cincin datar. Semua cincin-cincin datar tersebut mengalami kekangan karena sudut ikatan mereka yang menyimpang dari o
109.5 terkecuali sikloheksana sebab mempunyai sudut yang mendekati sudut o
tetrahedral (109.5 ) sehingga cincin-cincin datar yang menyimpang tersebut akan lebih mudah putus (mengalami pembukaan cincin) membentuk rantai terbuka yang lebih stabil terutama siklopropana yang mempunyai reaktivitas paling besar sebab sudutnya sangat menyimpang dari sudut tetrahedral. Setidaknya ada dua faktor yang mengakibatkan ketidakstabilan siklopropana, yakni:
1) Terjadinya tegangan sudut molekul, akibatnya adanya deviasi sudut dibandingkan o
dengan sudut tetrahedron. Sudut siklopropana 60 menyimpang jauh dari sudut o
109,28 . 2) Karena atom-atom yang terikat pada cincin siklopropana terletak secara eklips satu terhadap yang lain Pada siklopropana terdapat 3 (tiga) ikatan CH eklip dengan kekangan torsinya sebesar -3,2989e-11 atau bisa dikatakan bahwa kekangan torsinya sama dengan 0 o
o reaksi siklopropana
(nol) dan kekangan sudutnya sebesar 60 . Jika melihat ΔH
yang telah
dioptimasi, diperoleh energi kekangan totalnya sebesar -3 6,87093296 kkal/mol. Energi untuk reaksi hidrogenasi dari setiap sikloalkena menjadi sikloalkana diperoleh data sebagai berikut : ∆H⁰ reaksi
sikloalkena
(kkal/mol)
energi kekangan literature (kkal/mol)
siklopropena
-51,86173607
34,5
siklobutena
-41,5761805
32,5
siklopentena
-26,59825571
5,9
sikloheksena
-23,31199127
1,4
cis-sikloheptena
-22,02483093
0,0
trans-sikloheptena
-57,28339626
27
Pada proses hidrogenasi sikloalkena, ikatan rangkap pada sikloalkena diputus mejadi ikatan tunggal (sikloalkana). Jika dilihat, energi hidrogenasi cis-sikloheptena lebih besar daripada energi hidrogenasi trans-sikloheptena. Hal ini dikarenakan struktur konformasi dari cis-sikloheptena adalah yang paling stabil sehingga pada penentuan energi reaksi hidrogenasi cis-sikloheptena paling mendekati 0 (nol) yaitu energi kekangan paling kecil. Penentuan energi reaksi hidrogenasi ikatan rangkap bisa dibandingkan dengan hasil energi reaksi hidrogenasi dengan senyawa cis-2-butena menjadi n – butane dengan energi pembentukan dari senyawa cis-2-butena adalah -2,28 kkal/mol. Sehingga energi reaksi hidrogenasi adalah -23,8307 kkal/mol. Dari data yang diperoleh
kekangan sikloalkena akibat adanya ikatan rangkap yang memilik kekangan terbesar adalah siklopropena dan kekangan terkecil adalah cis-sikloheptena. Terlihat pada gambar bahwa cis-sikloheptena memiliki konformasi sudut paling stabil dibanding trans-sikloheptena.
cis-sikloheptena
trans-sikloheptena
Jika dilihat pada alkana ratai terbuka, besar sudut ikatan dan sudut dihedral adalah hampir sama. Hal ini dikarenakan pada alkana rantai terbuka tidak ada kekengan cincin yang mempengaruhi besarnya sudut ikatan dan sudut dihedral seperti pada sikloalkana dan sikloalkena yang membuat sudut ikatan dan sudut dihedralnya tidak sama.
Propana Pada gambar menunjukkan konformasi propana, untuk konformasi butana, pentana, heksana, dan heptana memiliki konformasi yang hampir sama perbedaannya adalah jumlah Cnya.
Pentuan menggunakan metode semi empiris AM1 kurang sesuai karena dioeroleh perbedaan yang cukup signifikan pada hasl percobaan dengan hasil literature.
iv. KESIMPULAN Energi kekangan dapat dihitung menggunakan perhitungan energi reaksi hidrogenasi yaitu pada siklopropana -36,8709 kkal/mol, siklobutana -24,9637 kkal/mol, siklopentana -4,0009 kkal/mol, ssikloheksana -1,1033 kkal/mol, sikloheptana -8,8201 kkal/mol,
siklopropena
-51,8617
kkal/mol,
siklobutena
-41,5761
kkal/mol,
siklopentena -26,5982 kkal/mol, sikloheksena -23,3119 kkal/mol, cis-sikloheptena 22,0248 kkal/mol dan trans-sikloheptena -57,2833 kkal/mol.
v. DAFTAR PUSTAKA Boyd, Morrison, 1991, Organic Chemistry 5 , Allyn and Bacon Inc, London Fessenden, Rapl J. dan Joan S. Fessenden, 1982, Kimia Organik Jilid I Edisi 3, Erlangga, Jakarta Mahmood, Kamaliah., 2004, Kimia Organik Awalan, Sanon Printing Corporation SDN BHD, Kuala Lumpur.
