SENYAWA KARBONIL (ALDEHIDA & KETON) Reaksi Adisi Nukleofilik 9/17/2011 1

SENYAWA KARBONIL

(ALDEHIDA & KETON)

STRUKTUR GUGUS KARBONIL

C

O

• Hibridisasi karbon karbonil adalah sp2_.

• Geometri karbon karbonil adalah trigonal planar

• Serangan nukleofil akan terjadi dengan tingkat kemudahan yang sama baik dari atas maupun bawah gugus karbonil.

Prokiral

Karbon karbonil adalah prokiral. Yaitu, karbon karbonil bukan merupakan pusat kiralitas, tetapi dapat menjadi kiral sejalan dengan berjalannya reaksi.

C O R R' :Nu :Nu C OH Nu R R' C OH R R'

Dua produk ini

adalah enantiomers.

Pada umumnya, kedua enantiomer

4

 Reaksi reduksi

 Reaksi Oksidasi

 Reaksi adisi nukleofilik

 Adisi Grignard membentuk alkohol

 Adisi air (hidrasi) membentuk gem-diol  Adisi alkohol membentuk asetal/keton  Adisi HCN membentuk sianohidrin  Adisi ammonia dan turunan ammonia  Adisi karbanion

Kondensasi Aldol Kondensasi Claisen Reaksi Reformatsky Reaksi Wittig

Adisi Nukleofilik dari Aldehida dan Keton

 Nukleofil menyerang karbon elektrofilik C=O dari arah

~45˚ pada bidang gugus karbonil.

 Pada waktu sama: Rehibridisasi karbon karbonil dari sp2

ke sp3 _{terjadi, sepasang elektron dari ikatan rangkap}

karbon-oksigen bergerak ke atom oksigen elektronegatif, dan suatu intermediat ion alkoksida tetrahedral dihasilkan.

6

Penyerangan Nukleofil



Nukleofil dapat bermuatan negatif atau netral

Nukleofil

bermuatan negatif

•

HO

-

(ion hidroksida)

•

H

-

(ion hidrida)

•

R

₃

C

-

(karbanion)

•

RO

-

(ion alkoksida)

•

_CN

-

_{(ion sianida)}

Nukleofil Netral

•

H

₂

O (air)

•

ROH (suatu alkohol)

•

_H

₃

_{N (ammonia)}

•

RNH

₂

(amina)

Reaksi Adisi Nukleofilik

Aldehida/Keton

R C R' O R"MgX H+ H₂O R C OH R' R" R C R' O R C R' O R C R' O H₂O C R R' OH OH dry HCl R''OH C R R' OH OR" C R R' OR" OR" hemiketal ketal H+ or OH -gem diol HCN C R R' OH CN cyanohydrin R

Reaksi Gugus Karbonil dengan

Asam

O C + H + O C H Sifat Khas

Reaksi Gugus Karbonil dengan Basa

O C + B: C O B Sifat Khas

Adisi Nukleofilik pada

Karbonil-Mekanisme Umum

+ :Nu slow : : : .. : _ : .. : + _H2O : .. fast _ O C C O Nu C O Nu C OH Nu

Adisi Nukleofilik pada

Karbonil-dalam Asam (Mekanisme Umum)

+ :Nu slow : : .. + : : + _H+ fast + : OH C C OH OH C O C

Intermediat karbokation mempunyai resonansi

O C H O C H

Karakter muatan positif pada karbon membuat karbon tersebut merupakan posisi yang baik untuk serangan basa Lewis (nukleofil).

Bila intermediat terbentuk, apa yang terjadi

dengan intermediet tersebut ?

Kasus 1: Produk Adisi merupakan produk stabil

R

C

R

OH

Nu

Kasus 2: Adisi-Eliminasi R C R OH Nu H C Nu R R + O H H

Produk adisi tidak stabil, dan melepaskan molekul air. Hal ini paling sering teramati jika atom

Kasus 3: Pelepasan Gugus Pergi R C X O Nu R C Nu O + X

Proses ini teramati jika X adalah suatu gugus pergi yang baik. is a potential leaving group. Hal ini

16

Adisi Nukleofilik



Pembentukan Alkohol

C Nu R' R H O C R' R O :Nu C R' O R _Nu H+

Adisi Nukleofilik

 Eliminasi atom oksigen karbonil sebagai HO atau H₂O

untuk menghasilkan produk berikatan rangkap C=Nu

.

C R O R' :Nu-H C O R' R Nu H H+ C R R' H O Nu H -H₂O C R R' Nu

18

Reaktivitas relatif



Reaktivitas dalam adisi nukleofilik

Aldehida

>>>

keton

Alasan Sterik Aldehida Lebih Reaktif Dari

Keton

• Nukleofil mampu mendekati aldehida lebih baik, karena pada karbon C=O hanya terdapat 1 substituen besar yang terikat, sedangkan di keton ada 2.

• Keadaan transisi untuk aldehida-rxn kurang sesak,

sehingga mempunyai energi lebih rendah.

20

Alasan Elektronik Aldehida Lebih Reaktif

Dari Keton

• Polarisasi gugus karbonil aldehida lebih besar

• Aldehida lebih elektrofilik

karbokation 1˚

(kurang stabil, lebih reaktif)

Aldehida

(stabilisasi ς+ rendah, lebih reaktif)

C+ H R H C + H R _R' C+ R _R' O C+ R H O ς-ς+ ς-ς+ karbokation 2˚

(lebih stabil, kurang reaktif)

Keton

Mengapa aldehida alifatis lebih

reaktif dari aromatis ?



Efek resonansi dari cincin aromatis (gugus

pendonor elektron) membuat gugus karbonil

aromatis kurang elektrofil dibandingkan

22

Perbandingan kerapatan elektron pada

formaldehida dan benzaldehida



Perbandingan kerapatan elektron dari

formaldehida dan benzaldehida menunjukkan

bahwa atom karbon karbonil benzaldehida

(aromatis) kurang positif dibandingkan

formaldehida.

Adisi Nukleofilik H

₂

O : Hidrasi

C O OH C O H O H C O O O H H + H * Berkatalis asam C O _OH OH₂ O+ OH H H OH2 OH OH H₃O + -OH -+ + +

24

9/17/2011

Adisi Nukleofilik HCN : pembentukan Cyanohydrin

H O N C Benzaldehyde H CN O H C N + Mandelonitrile O CHCN OH CHCH₂NH₂ OH CHCO₂H OH HCN 1. LiAlH4,THF 2. H2O H3O, heat 2-Amino-1-phenylethanol H O _CN HCN tetrahedral intermediate

-Adisi Nukleofilik: -Adisi Grignard dan Hidrida

Pembentukan alkohol O +MgX R O R MgX O R MgX Tetrahedral intermediate OH R OH₂ + HOMgX An Alcohol O ":H-" C O C O H H3O + -+

26

Adisi Nukleofilik Amina:

Pembentukan Imina dan Enamina

H O H N R OH₂ RNH₂ N R R R₂NH

+

aldehyde or ketone An imine _{An enamine}

Adisi Nukleofilik Amina:

Mekanisme amina 1º membentuk imina

O NH₂R : NH₂R O + _{proton transfer} NHR OH₂ -H₂O N+ H R OH₂ Iminiun ion NHR OH karbinolamina H3O+ N R + OH₃ + imina +

28 H O R₂NH H OH R₂N H+ H OH₂ R₂N N+ H R R OH₂ OH₃ N R R + An enamine

Adisi Nukleofilik Amina:

Mekanisme amina 2º membentuk enamina

+

R R' O H₂NNH₂ + R R' N NH2 OH₂ -OH + R R' N N H R C R' N N H N N H OH₂ C OH₂ H

Adisi Nukleofilik Hidrazina:

Wolff-Kishner Reaction

30

Adisi Nukleofilik Alkohol: Pembentukan Asetal

 Asetal dan Ketal terbentuk dengan mereaksikan dua ekivalen alkohol masing-masing dengan aldehida dan keton, dengan keberadaan katalis asam.

 Hemiasetal dan Hemiketal terbentuk dengan mereaksikan masing-masing dengan aldehida dan keton, hanya dengan satu ekivalen alkohol, dengan keberadaan katalis asam. Reaksi lebih lanjut dengan alkohol kedua akan membentuk asetal atau ketal.  Suatu diol, dengan dua gugus –OH pada molekul sama, dapat digunakan untuk

membentuk asetal siklik.

 Semua tahap dalam pembentukan asetal/ketal adalah reversibel. O OR OR OH₂

+

2 ROH acid catalyst

+

ketone/ aldehyde acetal

Asetal

Ketal

Hemiasetal Hemiketal

OH OH OR H R OR OR R R OR

32

Mekanisme Pembentukan Asetal

O : : aldehyde/ketone + H Cl O H :+ O R H .. .. O O H H R : + : O H H .. .. O O H R : Hemiacetal/ Hemiketal H₃O + + Cl H O O H R H + .. OH₂ O R + : + O R H .. .. O O R H R : + : O.. .. O O R R + H₃O+ : Acetal/ Ketal

• Karbohidrat mengandung gugus fungsi alkohol dan karbonil pada molekul yang sama, disebut pula

polihidroksialdehida atau polihidroksiketon.

• Karbohidratdapt membentuk hemiasetal melalui

interaksi intramolekular dari gugus-gugus fungsinya. • Sebagai suatu model, pertimbangkan reaksi:

HO CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ C H O H+ CH2 CH CH O C H OH

Pembentukan Asetal/hemiasetal

Siklisasi Monosakarida

O C CH₂ OH O H OH H H O H OH H H H C CH₂ OH H OH H H O H OH H H O OH .. .. : : 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6

: _: OH H O H OH O H H O O O H O H :

..

Cincin piranosa Cincin furanosa

6

5

Pembentukan Hemiasetal siklis pada

monosakarida

Untu kejelasan, gugus hidroksil tidak

36

Reaksi Canizzaro

 Memerlukan dua ekivalen aldehida dan basa.

 Menghasilkan campuran asam karboksilat dan alkohol 1: 1.

 Aldehida yang bereaksi terbatas hanya pada aldehida yang tidak mempunyai H alfa, seperti formaldehida dan benzaldehida.

 Produk merupakan proses reduksi dan oksidasi yang simultan, disproporsionasi.

 Tahapan:

1. Adisi nukleofilik OH- _{pada aldehida pertama membentuk}

intermediet tetrahedral.

2. Intermediat tetrahedral kemudian melepaskan ion hidrida sebagai gugus pergi.

3. Aldehida kedua mengambil ion hidrida.

4. Oksidasi produk kedua menghasilkan asam, sementara reduksi produk pertama menghasilkan alkohol.

H O O H -_: : : aldehyde OH O:- H : tetrahedral intermediate O H aldehyde : : OH O _O H H -: -: carboxylic acid O H H H +

38

Reaksi yang terkait dengan Karbanion



Kondensasi Aldol



_{Diri vs Silang}



Kondensasi Claisen

 Diri vs Silang  Siklisasi Dieckmann 

Reaksi Reformatsky



Reaksi Wittig



Reaksi Alkilasi/Asilasi/ Adisi

Kondensasi Aldol



Kondensasi Diri



Kondensasi Silang

RCH₂ C O H 2 OH- or H+ RCH₂ C H OH CH R C O H RCH₂ C H +R' C H OH- or H+ R' C H CH R C H

40

Kondensasi Aldol

 Terjadi pada aldehida berhidrogen alfa

 Dapat terjadi kondensasi diri atau silang (dengan

aldehida berhidrogen alfa lain atau aldehida tidak berhidrogen alfa)

 Dapat dikatalis oleh basa atau asam

 Menghasilkan produk berupa “aldol” (aldehida dan

alkohol)

 Aldol dapat mengalami dehidrasi sehingga diperoleh

aldehida tak jenuh (enal)

 Bila melibatkan keton, maka reaksinya dinamakan

MEKANISME KONDENSASI ALDOL

Berkatalis Basa Tahap 1: _CH2CH O HO- HOH + CH2 CH O CH2 CH O + -ion enolat suatu karbanion H alfa bersifat asam H Tahap 2: -O CH CH2 CH3 CH O + _{CH3CH CH2CH} O O + -OH -Tahap 3: -O O CH3CH CH2CH + HOH O O CH3CH CH2CH H aldol Dehidrasi Aldol

42

Kondensasi Claisen

 Terjadi pada ester berhidrogen 

 Dapat terjadi kondensasi diri atau silang

 Menghasilkan  keto ester

 Dapat terjadi kondensasi intramolekuler (Kondensasi Dieckmann) RCH H COC2H5 O OC2H5 - +  O COC2H5 RCH - + C2H5OH RCH2C OC2H5 O O OC2H5 CHC C H5C2O RCH2 R O -O _R RCH2 C CHC _OC2H5 O OC2H5 - ₊

Kondensasi Claisen

R'O -R'OH 2RCH₂ OR' O C RCH₂ O C CH C O OR' R RCH₂ OR' O C +R" C O OR' R'O -R'OH O C CH C O OR' R R" + R'OH + R'OH R'O C O (CH₂)₄ C O OR' R'O -R'OH O _OC OR' + R'OH R'O C O (CH₂)₅ C O OR' R'O -R'OH + R'OH O C O OR' Kondensasi Diri Kondensasi Silang Kondensasi Dieckmann

44 R C O R + Br CH₂ C O OR' 1. Zn benzene/ 2. R C O H + Br CH₂ C O OR' 1. Zn benzene/ 2. OH C OR' O C CH₂ H R OH C OR' O C CH₂ R R H₃O+ H₃O+

Reaksi Reformatsky

REAKSI WITTIG

 _{Pada awalnya mengubah suatu aldehida/keton menjadi}

Fosfor ylida (aka fosforana)

R₂C

-

P(C+ ₆H₅)₃

 Ylida bertindak sebagai nukleofil yang menyerang karbon karbonil dan menghasilkan cincin 4 anggota, dan intermediat dipolar yang disebut betaina.

 Betaina terurai secara spontan untuk menghasilkan suatu alkena dan trifeniloksida.

 Dapat menghasilkan alkena monosubstitusi, disubstitusi, dan trisubstitusi.

46

REAKSI WITTIG

Tahapan Reaksi Wittig :

Pembentukan garam Fosfonium Pembentukan Ylida Pembentukan Alkena RCH₂X +Ph₃P Ph₃P CH+ ₂R phosphonium salt Ph₃P CH+ ₂R NaH Ph₃P CHR+

-

+NaX +H₂ ylide CHR P C R' O R' Ph₃ +

-+ (R')₂C CHR O PPh₃ C C H R' R R' ₊ Ph₃P O oxaphosphatane _alkene + triphenylphosphine oxide S_N2 X X

Mekanisme Reaksi Wittig:

O : : ketone/aldehyde R R' P -: + ylide + R' P R O - .. + : : betaine P O .. : R' P O +

48

Reaksi Alkilasi/Asilasi/Adisi

Konyugasi dengan Karbanion



Reaksi Ester Malonat



Reaksi Ester Asetoasetat



Reaksi Stork Enamina

Sintesis Asam asetat Teralkilasi C₂H₅O C O CH₂ C O OC₂H₅ NaOC2H5 C₂H₅OH C2H5O C O CH C O OC₂H₅ Na+ C₂H₅O C O CH C O OC₂H₅ Na+ RCH₂X C₂H₅O C O CH CH₂R C O OC₂H₅ C₂H₅O C O CH CH₂R C O OC₂H₅ H +_/H 2O _C O OH C O CH CH₂R HO CH R

50

Reaksi Ester

Asetoasetat

Sintesis Aseton teralkilasi

CH₃ C O CH₂ C O OC₂H₅ NaOC 2H5 C₂H₅OH CH3 C O CH C O OC₂H₅ Na+ CH₃ C O CH C O OC₂H₅ Na+ RCH₂X (-NaX) CH3 C O CH CH₂R C O OC₂H₅ CH₃ C O CH CH₂R C O OC₂H₅ H +_/H 2O _CH 3 C O CH CH₂R C O OH CH₃ C O CH CH₂R C O OH strong heat CH₃ C O CH₂ CH₂R CO₂ (- )

R' C C O H H +R₂NH R' C C H OH NHR₂ H aminol an (-H₂O ) ( ) R' C C H NR₂ H H+ ( ) R' C C H NR₂ (an enamine) R' C C H NR₂ (a disguised carbanion) R' C C H NR₂ R"CH₂X S _N2 R' C C H NR₂ CH₂R" + + + + +

Reaksi Stork

Enamina

52 R' C C O H H +R₂NH R' C C H OH NHR₂ H aminol an (-H₂O ) + ( ) R' C C H NR₂ H H+ ( ) R' C C H NR₂ (an enamine) R' C C H NR₂ (a disguised carbanion) R' C C H NR₂ R' C C H NR₂ C O R" hydrolysis _{R' C C H} O C O R" + R₂NH R" C O X R' C C H NR₂ C O R" + + + + +

Sintesis Aldehida/Keton Terasilasi

Reaksi Stork

Enamina

Adisi Nukleofilik Konyugasi pada

Aldehida/keton takjenuh



,



 Adisi langsung (adisi 1,2) terjadi jika suatu nukleofil

menyerang karbon karbonil secara langsung.

 Adisi konyugasi (adisi 1,4) terjadi bila nukleofil

menyerang karbonil secara tidak langsung pada karbon kedua (karbon beta) dalam aldehida/keton takjenuh.

 Adisi konyugasi membentuk produk awal yang

disebut enolat, yang terprotonkan pada karbon alfa untuk memberikan produk akhir aldehida/keton jenuh.

 Adisi konyugasi dapat dilakukan dengan nukleofil

54

Adisi Langsung vs Adisi Konyugasi

Sistem Karbonil tak jenuh



,



C C C O + Nu H+ H+ C C C O H Nu conjugate addition C C C OH Nu direct addition

Conjugate addition Direct addition NH3, RNH2, & R2NH CN-1 R SH R₂CuLi carbanions (Michael addition) LiAlH4 RLi or ArLi RMgX considerations) (subject to steric

Mekanisme Adisi Konyugasi (1,4)

O alpha,beta-unsaturated aldehyde or ketone : : Nu -: O Nu - .._{: :} O Nu .. -: : Enolate ion O H H H + O H Nu Saturated aldehyde or ketone

56

9/17/2011

Adisi Michael

Donor Akseptor

Michael Product

C C C O C C C CH C O H₂O (Michael donor) CH (COOR)₂ malonic ester CH COOR C O R' -ketoester CH C O R' C O R' -diketone R₂CuLi dialkyl cuprate RCH CH C O H unsaturated aldehyde RCH CH C O R' unsaturated ketone RCH CH C O OR' unsaturated ester RCH CH C N unsaturated nitrile RCH CH NO₂ _{unsaturated nitroalkene} N C C

O C C C O Michael donor C C C O H₃C Michael acceptor C C C C O H₃C C O C O Michael product OR -ROH OR- ROH C C C O C O C C C O C HO C C C O C Anulasi Robinson

Adisi

Michael

58

Reaksi Reduksi Aldehida dan Keton

 Pembentukan Alkohol  Hidrogenasi  Reduksi Hidrida  Pembentukan Alkana  Reduksi Clemmensen  Reduksi Wolff-Kishner R C O H H2 / Pt _{R CH2OH} R C O H LiAlH4 _{R CH2OH} ether H₂O H+ R C O H conc. HCl R CH₃ Zn(Hg) R C O H NH2NH2 R CH₃ OH- / H₂O

Beberapa Reaksi Adisi Nukleofilik Biologis



Organisme hidup menggunakan reaksi

adisi nukleofilik yang melibatkan senyawa

aldehida dan keton di alam.

 Contoh :

-Dalam Metabolisme : Pemutusan Alanin

60

Reaksi adisi nukleofilik: Metabolisme



Badan manusia menggunakan asam amino

alanina bereaksi dengan piridoksal fosfat,

suatu aldehida, dalam reaksi metabolisme

untuk menghasilkan suatu imina

.

H O N CH₃ OH H O₃POCH₂ 2 -N H_{2 H}CH3 CH₂

-..

Pyridoxal phosphate Alanine

+

+

H N CH₃ CO₂ -H N CH₃ OH H O₃POCH₂ 2 -OH₂ Imine +

+

Reaksi Adisi Nukleofilik: Metode

Pertahanan Diri



Apheloria corrugata, suatu lipan, melepaskan

racun HCN pada penyerang.



Lipan melepaskan molekul mandelonitril, dan

enzim memecahkannya menjadi aldehida dan

HCN.

OH H NC

Enzyme

H O HCN (poison)

+

62

Oksidasi Aldehida dan Keton



Konversi Aldehida menjadi Asam karboksilat



_{Oksidasi Aldehida/Keton aromatis menjadi}

Turunan asam Benzoat



Reaksi Haloform dari metilkarbonil



Pemutusan dial/diketon visinal oleh asam

Oksidasi Aldehida/Keton

R C O H Ag(NH3)2 RCOOH + (Tollens reagent) C O H or C O R COOH KMnO ₄ or K₂Cr₂O₇ ² CH₃ C O R X2 OH- / H₂O HCX3 + RCOO -Ar C O H or (ArCOOH)

64

Oksidasi Aldehida dan Keton

Aldehida –mudah teroksidasi membentuk asam karboksilat

Keton-inert, tetapi dapat teroksidasi dengan KMnO₄ alkalin

panas_.

ALASAN: aldehida mempunyai sebuah proton –CHO yang dapat dihilangkan dengan oksidasi, keton tidak.

OKSIDATOR: KMnO₄

HNO₃

CrO₃ dalam kondisi asam

Pereaksi Tollens (Ag₂O)

Oksidasi Aldehida



Terjadi melalui intermediat 1,1 diol atau hidrat..

C O

R H

H₂O

hidrat

Aldehida _{Asam karboksilat}

OH C H OH R CrO₃ H₃O+ OH R C O

66

Mekanisme Oksidasi Aldehida

O R H O H H O+ R H H -OH O R H H OH O Cr O O O O O O+ R H H OH Cr O H O O O+ R H H OH Cr H O+ H H O H O O+ O R H OH Cr H

Mekanisme Oksidasi Aldehida, lanjutan…

+ O H O O+ O R H OH Cr H O H H O R OH CrO_{3 H O} 2 +

68

Oksidasi Keton



Inert terhadap oksidator paling kuat.



_{Keton mengalami pemisahan jika direaksikan}

dengan KMnO

₄

alkalin panas.

O KMnO4, H2O H₃O+ COOH COOH 1. NaOH 2.