heterosiklik

(1)

KIMIA HETEROSIKLIK

SENYAWA HETEROSIKLIS :

Senyawa organik yang di dalam lingkar siklisnya terdapat atom-atom selain atom karbon. Senyawa organik yang di dalam lingkar siklisnya terdapat atom-atom selain atom karbon. Misalnya : atom N, O, S

Misalnya : atom N, O, S

Berdasarkan bentuk lingkar siklisnya senyawa heterosiklik digolongkan menjadi : Berdasarkan bentuk lingkar siklisnya senyawa heterosiklik digolongkan menjadi : Senyawa Heterosiklis Lingkar Tiga

Senyawa Heterosiklis Lingkar Tiga

Senyawa Heterosiklis Lingkar Empat Senyawa Heterosiklis Lingkar Empat

O O OXIRANE

OXIRANE _TIIRANE_TIIRANE S S NN H H AZIRIDINE AZIRIDINE OXIRENE OXIRENE O O SS TIIRENE

TIIRENE _1-AZIRINE_1-AZIRINE N N 2-AZIRINE 2-AZIRINE H H N N O O oxetane

oxetane _thietane_thietane S S azetidine azetidine N N H H N N S S O O _N_N HH

(2)

Senyawa Heterosiklis Lingkar Lima Senyawa Heterosiklis Lingkar Lima

Senyawa Heterosiklis Lingkar Enam Senyawa Heterosiklis Lingkar Enam

S S tetrahidrotiofen tetrahidrotiofen O O Pirolidine Pirolidine tetra hidrofuran tetra hidrofuran H H N N N N H H Pirol Pirol Furan Furan O O Tiofen Tiofen S S _S_S 2-hidrotiofen 2-hidrotiofen 3-tiolen 3-tiolen O O 2-hidrofuran 2-hidrofuran 3-furolene 3-furolene 3-pirroline 3-pirroline H H N N NN 2-hidropirol 2-hidropirol O O N N S S H H oxosikloheksana

oxosikloheksana ppiippeerriiddiinnee ttiioossiikklloohheekkssaannaa

tiosikloheksadiena tiosikloheksadiena piridine piridine gamma-piran gamma-piran S S N N O O

(3)

Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai lingkar siklis lebih dari satu

Disamping cara penggolongan di atas, senyawa heterosiklis dapat pula digolongkan menjadi :

A. Senyawa heterosiklis non aromatik B. Senyawa heterosiklis aromatik

A. Senyawa heterosiklis non aromatik

Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon, namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa rantai terbuka (alifatik)

Contohnya : O N N N N N N N

morpholine

pirimidine

pirazine

_piridazine

N N N N N indole purine N N N

quinoline karbazole isoquinoline

O C

C

O O

anhidrida asam suksinat

O O C C NH phtal-imida O O C C NH suksin-imida O O dioxan

(4)

B. Senyawa heterosiklis aromatik

Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon, namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa aromatik lainnya.

Agar suatu sistem cincin bersifat aromatik, terdapat tiga kriteria yang harus dipenuhi : 1. Sistem cincin mengandung elektron π (pi) yang terdelokalisasi (terkonyugasi).

2. Sistem cincin harus datar (planar), berhibridisasi sp2.

3. Harus terdapat (4n + 2) elektronπ dalam sistem cincin (aturan Huckel).

Contohnya :

Tata Nama Senyawa Heterosiklik Aromatik

Sistem cincin senyawa aromatik heterosiklik juga mempunyai tata nama tersendiri. Berbeda dengan senyawa lainnya, penomoran pada cincin heterosiklik ditetapkan berdasarkan perjanjian dan tidak berubah bagaimanapun posisi substituennya. Penomoran

CH C

O O

R

gamma-lakton _{asetal lingkar}

O C O R R O turunan epoksida N H Pirol Furan O Tiofen S pirazine N N N piridine Isokuinolin N 1 2 3 4 5 6 7 8

(5)

Bila suatu senyawa heterosiklik, hanya mengandung satu heteroatom, maka huruf Yunani dapat juga digunakan untuk menandai posisi cincin

Struktur Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Agar suatu heterosiklik dengan cincin lima anggota bersifat aromatik, heteroatom itu harus memiliki dua elektron untuk disumbangkan ke awan pi aromatik. Pirol, furan dan tiofen semuanya memenuhi persyaratan ini, sehingga dapat bersifat aromatik.

Penjelasan Struktur berdasarkan Teori Ikatan Valensi A. Senyawa Pirol N H Pirol N Piridin N H Pirol N H Pirol N Piridin N Piridin Pirol H N O Furan S Tiofen Pirol H N O Furan S Tiofen Konfigurasi elektron keadaan dasar : 6C : 1s2 2s2 2p2 11 11 1 1 11 11 1 ₁ keadaan tereksitasi : 1s2 2s1 2p3 11 1 1 1 1 sp2 N H H H H H + + + + + _ _ _ _ _

dua ele ktron pi dari nitrogen satu elektron pi

(6)

B. Senyawa Furan C. Senyawa Tiofen Konfigurasi elektron keada an d asar : 7N : 1s2 2s2 2p3 11 11 1 1 11 11 1 ₁ keadaan tereksitasi : 1s2 2s1 2p4 11 1 1 1 1 sp3 1 1 H H H H + + + + + _ _ _ _ _ dua el ektron pi dari oksigen satu elektron pi dari karbon O

dua elektron mandiri dari oksigen Konfigurasi elektron keada an dasar : 8O : 1s2 2s2 2p 4 11 11 1 1 11 11 1 ₁ keadaan tereksitasi : 1s2 2s1 2p 5 11 1 1 1 1 sp3 1 1 ₁ 11 H H H H + + + + + _ _ _ _ dua e lektron pi dari sulfur satu elektron pi dari karbon S

dua el ektron mandiri dari sulfur

(7)

Struktur Hibrid Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Makin besar jarak pemisahan muatan positif dengan negatif pada struktur hibrid menyebabkan keadaan semakin kurang stabil. Kerapatan elektron pada atom C nomor 2 dan nomor 5 lebih besar dari kerapatan elektron pada atom C nomor 3 dan 4. Kemungkinan terjadinya substitusi elektrofilik yang paling besar berada pada atom C nomor 2 dan 5.

Sifat Karakteristik Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

A. Senyawa Pirol

Karena atom nitrogen dalam pirol menyumbangkan dua elektron ke awan pi aromatik, maka atom nitrogen bersifat tuna elektron.

N H H N H N H N H N _ _ _ _

Pirol

N H H N H N H N H N _ _ _ _

Pirol

O O O O O _ _ _ _ O O O O O _ _ _ _ S S _S S S _ _ _ _ S S _S S S _ _ _ _ N H Pirol

(8)

Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)

Tidak seperti piridin dan amina, pirol (pKb = ∼ 14) tidak bersifat basa.

B. Senyawa Furan

Karena atom oksigen dalam furan menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke awan pi aromatik, maka atom oksigen bersifat tuna elektron.

Berbeda dengan pirol, puran menunjukkan sifat basa yang amat lemah.

H N H N N H Pirol

+ H+ tidak ada kation stabil

O

(9)

C. Senyawa Tiofen

Karena atom sulfur dalam tiofen menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke awan pi aromatik, maka atom sulfur bersifat tuna elektron.

Berbeda dengan pirol, tiofen juga menunjukkan sifat basa yang amat lemah.

Reaksi-reaksi pada Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima Reaksi-reaksi pada pirol

Walaupun mempunyai sepasang elektron bebas, tetapi karena adanya delokalisasi elektron dalam cincin aromatis, maka pirol tidak dapat bersifat basa, malahan bersifat asam yang sangat lemah, sehingga dapat bereaksi dengan NaNH2 ataupun KOH

S

N H KOH N K _ + + H2O + CH3I N CH3

(10)

Dapat pula bereaksi dengan reagen grignard dengan membebaskan alkana.

• Mengalami reaksi substitusi elektrofilik 1. Nitrasi

2. Sulfonasi

3. Reaksi coupling diazo

H N + CH3MgBr N MgBr + _ + CH4 N N H C CH3 ONO2 O O CH3 C O C CH3 O 5oC H NO2 + O CH3 C OH SO3 H H N N N SO3 90o sulfopiridin asam-2-pirolsulfonat

(11)

4. Pembentukan 2-pirol karbokaldehida

5. Asilasi Friedel-Craft

• Mengalami reaksi halogenasi (brominasi)

• Mengalami reaksi reduksi

• Sifat kearomatikan dari pada pirol dapat dihilangkan dengan mereduksinya dengan hidrogen, pada temperatur tinggi.

CH H H N N 1. HCN, HCl 2. H2O NH H N C O H 2-pirol karbokaldehida C CH3 O H O CH3 C O C CH3 O H N AlCl3 , 250oC N O CH3 C OH + N N H _H Br 2 C2H5OH Br Br Br Br 2,3,4,5-tetrabromopirol H H N N H2 , Ni / Pt 200 - 250o pirolidin pirol Kb = 2,5 x 10-14 Kb = 10-3 Zn , HCl N H

(12)

Reaksi-reaksi Furan 1. Reaksi reduksi

Sifat aromatis furan dapat dihilangkan dengan mereduksi furan menjadi tetra hidro furan

Makin berkurang sifat aromatisnya makin tinggi titik didihnya, karena makin banyak dapat membentuk ikatan hidrogen.

O _O

H2 , Ni / Pd

50oC 90 -93 %

furan tetra hidro furan

td 31o td 65o

tetra hidro furan O H2O _ CH2 CH CH _CH2 1,3-butadiena O

tetra hid ro furan

+ NH3

N H pirolidin

O

tetra hidro furan

+ HCl _CH2

CH2 CH2 CH2OH

Cl

(13)

2. Reaksi halogenasi

Senyawa turunan furan (asam furoat) dapat bereaksi dengan halogen, dan setelah dipanaskan terbentuklah 2-bromo furan.

Senyawa halo-furan juga dapat diperoleh dengan reaksi sebagai berikut :

Dari reaksi ini, juga dapat diturunkan senyawa furan yang tersubstitusi dengan gugus asetil.

Tetapi umumnya, 2-asetil furan dibuat dengan larutan asam asetat anhidrid yang diri garam boron triflourida eterat.

asam furoat O _O bromo furan C O OH Br 2 OH O C O Br Br + CO2 O halo-furan O O furan HgCl2 O ONa CH3 C _X X2 HgCl HgCl _O 2-asetil furan O C O Cl R O C R HgCl _O 2-asetil furan O C O O CH3 C O C CH3 O + C2H5 O C2H5 BF3 CH3

(14)

 Reaksi substitusi elektrofilik 1. Reaksi Nitrasi

2. Reaksi Sulfonasi

Kesimpulan

• Substitusi elektrofilik berlangsung terutama pada posisi 2. • Posisi 2 (disukai).

• Posisi 3 (tidak disukai).

NO2 C CH3 ONO2 O furan O _O + O CH3 C OH 2-nitro furan furan O + _NSO3 2-furan sulfonat O SO3H NO₂ N H N H N H + NO 2 NO₂ H + + _NOH 2 H N + H NO₂ H N -H+ H H + NO NO₂

(15)

Piridin

Piridin mempunyai struktur yang serupa dengan benzena

Masing-masing atom penyusun cincin, terhibridisasi sp2 dan mempunyai satu elektron dalam orbital p yang disumbangkan ke awan elektron π aromatik.

Perhatikan perbedaan antara benzena dan piridin

Benzena bersifat simetris dan nonpolar, tetapi piridin mengandung satu nitrogen yang bersifat elektronegatif, sehingga bersifat polar.

Pembentukan kation menyebabkan cincin semakin bersifat tuna elektron Piridin N N Piridin atau

N

+

_

N N N N FeBr 3 + _ N FeBr 3 + _

(16)

Cincin piridin mempunyai kereaktivan rendah terhadap substitusi elektrofilik dibandingkan dengan benzena. Piridin tidak mengalami alkilasi atau asilasi Friedel-Crafts maupun kopling garam diazonium. Brominasi berlangsung hanya pada temperatur tinggi dalam fase uap dan agaknya berlangsung dengan jalan radikal bebas. Bila terjadi substitusi, akan berlangsung pada posisi 3.

Perbedaan lainnya, nitrogen dalam piridin mengandung sepasang elektron mandiri dalam orbital sp2. Pasangan elektron ini dapat disumbangkan ke suatu ion hidrogen, sehingga piridin bersifat basa. Kebasaan piridin (pKb = 8,75) jauh dari kebasaan amina alifatik

(pKb = 4), tetapi piridin menjalani banyak reaksi khas amina

Seperti benzena, cincin aromatik piridin bertahan terhadap oksidasi, tetapi rantai samping dapat dioksidasi menjadi gugus karboksil.

N N N Br 2 300o Br Br Br + 3-bromopiridin 3,5-dibromopiridin N N N H Cl-+ CH3 I-+ piridinium klorida N-metilpiridinium iodida HC l piridin CH 3I

CH3 KMnO4, H2O, H+ COOH toluena asam benzoat

(17)

Substitusi Nukleofilik pada Cincin Piridin

Bila suatu cincin benzena disubstitusi dengan gugus penarik elektron, seperti –NO2 maka substitusi nukleofilik aromatik sangat dimungkinkan.

Nitrogen dalam piridin menarik rapatan elektron dari bagian lain cincin itu, sehingga piridin juga mengalami substitusi nukleofilik. Substitusi berlangsung paling mudah pada posisi 2, diikuti oleh posisi 4, tetapi tidak pada posisi 3.

Posisi 2 (disukai)

Zat antara pada substitusi C-2, terstabilkan oleh sumbangan struktur resonansi dalam mana nitrogen mengemban muatan negatif.

O2N NO2 Cl NH2 NO2 O2N NH3 N Br NH3 kalor NH2 N 2-bromopiridin 2-aminopiridin 4-aminopiridin 4-kloropiridin N kalor NH3 N Cl _NH2 N _Br NH3 -H+ NH2 Br N _ _ N Br NH2 _NH2 Br N _ N _NH2 - Br -penyumbang utama

(18)

Posisi 3 (tidak disukai)

Substitusi pada posisi C-3 berlangsung lewat zat antara dalam mana nitrogen tak dapat membantu menstabilkan muatan negatif, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi yang menyebabkan laju reaksi lebih lambat.

 Benzena tanpa subtituen, tidak mengalami substitusi nukleofilik.

 Piridin mengalami substitusi nukleofilik, jika digunakan basa yang sangat kuat, seperti reagensia litium atau ion amida.

struktur-struktur resonansi untuk za t antara

- Br -NH2 N _ N Br NH2 NH2 Br N _ _ N Br NH2 -H+ NH2 Br N NH2 _

+ 100o tidak ada reaksi

N + _ NH2 100o_{- H2} N NH _ H2O NH2 N + OH-2-aminopiridin N + Li 100o _{+ LiH}

(19)

Dalam reaksi antara piridin dengan ion amida (NH2-_{), produk awal terbentuk adalah anion} dari 2-aminopiridin, yang kemudian diolah dengan air, sehingga menghasilkan amina bebas.

Tahap 1 (serangan NH2-)

Tahap 2 (pengolahan dengan air)

Kuinolin dan Isokuinolin

Kuinolin dan isokuinolin, keduanya merupakan basa lemah (pKb masing-masing 9,1 dan 8,6). Kuinolin dan isokuinolin, keduanya menjalani substitusi elektrofilik dengan lebih mudah dari piridin, tetapi dalam posisi 5 dan 8 (pada cincin benzenoid, bukan pada cincin ntrogen)

struktur-struktur resonansi untuk zat antara

- H-N NH2 NH2 N _ _ N NH2 NH2 N _ H _H _H _ N N H H + H _ _ NH N + H2 anion dari 2-aminopiridin

+ H2O N NH _ N _NH2 + OH _ 2-aminopiridin N Kuinolin HNO3 H2SO4 0o N N + NO2 NO2 5-nitrokuinolin 8-nitrokuinolin (52%)

(20)

Seperti piridin, cincin kuinolin dan isokuinolin yang mengandung nitrogen dapat menjalani substitusi nukleofilik.

Posisi serangan adalah α terhadap nitrogen dalam kedua sistem cincin itu, tepat sama seperti di dalam piridin.

Porfirin

Sistem cincin porfirin terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh gugus =C-. Sistem cincin keseluruhan bersifat aromatik.

Isokuinolin N 0o H2SO4 HNO3 N 5-nitroisokuinolin N 8-nitroisokuinolin NO2 NO2 + (90%) (10%) (1) NH2 -Kuinolin N (2) H2O _N _NH2 2-aminokuinolin N Isokuinolin (2) H2O (1) CH3Li 1-metilisokuinolin N CH3 N N N H

(21)

Sistem cincin porfirin merupakan satuan yang secara biologis sangat penting khususnya dalam : heme, komponen hemoglobin yang mengangkut oksigen.

Klorofil, suatu pigmen tumbuhan.

Sitokrom, senyawa yang terlibat dalam pemanfaatan O2 oleh hewan.

Hidrogen-hidrogen pirol dalam cincin porfirin dapat digantikan oleh aneka ragam ion logam (kelat) N N N N Fe CH₂=CH CH=CH₂ CH₃ CH₃ CH 3 CH₃ HO₂CCH₂CH₂ HO₂CCH₂CH₂ Heme N N N N Mg CH=CH₂ CH₂-CH₃ CH₃ CH₃ CH₃ CH3 C₂₀H₃₉O₂CCH₂CH₂ Klorofil-a O CH₃O₂C Sitokrom c HO₂CCH₂CH₂ CH₃ CH₃ CH₃ CH₃ CHSCH₂CH Fe N N N N CO NH CH₃ CHCH₂S CO NH HO₂CCH₂CH₂