PERCOBAAN VIII
Judul : Permodelan Molekul
Tujuan : 1. Untuk memvisualisasikan bentuk-bentuk molekul 2. Menghitung energi molekul tersebut beserta
konformasinya
Hari / Tanggal : Selasa / 21 Desember 2010
Tempat : Laboratorium FKIP Unlam Banjarmasin
I. DASAR TEORI
Molekul merupakan konsep dasar dalam kimia organik. Molekul ini memiliki bentuk dan berada dalam ruang tiga dimensi dimana terjadi interaksi ruang dari bagian lainnya. Hal ini sangat penting dalam menentukan sifat fisik dan kimianya. Oleh sebab itu mahasiswa harus mampu membayangkan molekul organik sebagai objek yang mempunyai bentuk tertentu. Hal ini memang sulit dibayangkan orang, apalagi dengan molekul yang rumit atau kompleks.
Dalam konformasi senyawa asiklik atau senyawa rantai terbuka, perputaran yang mengelilingi ikatan rangkap dua karbon-karbon menyebabkan terjadinya isomer geometri dari banyak alkena. Rintangan yang nisbi besar terhadap perputaran mengelilingi ikatan π taat asas dengan mudah terpisahnya isomer konfigurasi tersebut dan perputaran mengelilingi sebagian besar ikatan tunggal berlangsung nisbi cepat karena ikatan sigma memberikan kesan tidak adanya dasar untuk perputaran yang terhalang.
Pada senyawa alkana dan sikloalkana dapat terjadi konformasi susunan atom/gugus akibat rotasi bebas pada ikatan sigma. Keadaan ini dapat dilukiskan melalui proyeksi Newman. Jika ikatan karbon-hidrogen terdapat pada pendekatan yang paling rapat dalam suatu susunan kerutaangan maka disebut sebagai konformasi eklips, tetapi jika ikatan karbon-hidrogen pada suatu gugus metil terdapat sejauh mungkin dari ikatan lain yang sejenis dengannya maka disebut konformasi anti (staggered).
Butana dapat memiliki konformasi eklips dan goyang dalam butane terdapat dua gugus metil yang relatif besar, terikay pada dua ikatan pusat. Konformasi goyang dalam mana gugus metil terpisah sejauh mungkin disebut konformasi anti . Konformasi goyang ini di mana gugus lebih berdekatan disebut konformasi Gauche.
Adanya substituen yang terikat pada inti benzena ternyata mempengaruhi orientasi dan kereaktifan dalam substitusi elektrofilik. Orientasi dan kereaktifan tersebut dikendalikan oleh dua faktor, yaitu efek induksi dan efek resonansi. Substituen yang berbeda menunjukkan reaksi yang berbeda tergantung pada pengarahan dan kekuatan kedua faktor tersebut.
Efek substituen dalam reaksi substitusi elektrofilik pada senyawa aromatik dapat diringkaskan sebagai berikut :
1. Gugus alkil, memberikan efek induksi penarik elektron sedang dan tidak ada efek resonansi. Hasilnya, gugus-gugus alkil bersifat pengaktif dan pengarah orto-para.
2. Gugus hidroksi dan gugus amino (dan turunannya), memberikan efek resonansi pendorong elektron kuat, dan efek induksi penarik elektron sedang. Hasilnya gugus-gugus ini bersifat pengaktif dan pengarah orto-para.
3. Halogen, memberikan efek induksi penarik elektron kuat dan efek resonansi pendorong elektron sedang. Hasilnya halogen bersifat pendeaktif dan pengarah orto-para.
Adanya gugus pengaktif akan meningkatkan laju reaksi substitusi elektrofilik dan sebaliknya gugus pendeaktif menurunkan laju reaksi.
Reaksi – reaksi dasar
Nitrasi aromatik yang membentuk senyawa nitro terjadi dengan pembentukan ion nitronium dari asam nitrat and asam sulfat.
Sulfonasi aromatik benzena dengan uap asam sulfat yang menghasilkan asam benzenasulfonik .
Katalis yang paling sering dipakai adalah aluminium thriklorida, tetapi hampir semua asam lewis kuat dapat dipakai. Pada asilasi Fridel-Crafts, aluminium triklorida dengan jumlah sepenuhnya dapat dipakai, bukan jumlah kecil katalis
II. ALAT DAN BAHAN
1. Laptop 2. Layar 3. LCD 4. Kertas 5. Printer
III. PROSEDUR KERJA
1. Membuka program HyperChem
2. Memilih menu “Display”, memilih “Rendering”, memilih “stick and cylinder”.
3. Memilih menu “Build”, memilih “Deafault Element”,memilih atom C dan membuat struktur benzen.
4. Memilih menu “Build”, memilih menu “Add Hydrogen” untuk menambahkan atom hydrogen.
5. Mengganti salah satu atom hidrogen dengan gugus metil (CH3) dengan menggunakan prosedur kerja yang sama dengan no 3.
7. Memilih “Compute” pada menu dan memilih “ Geomtry Optimization”,memilih OK.
8. Memilih menu “File” setelah perhitungan selesai,memilih “Start Log” untuk menghitung energi.
9. Mengganti salah satu atom H dengan atom NO2 baik pada posisi orto,meta,para.
10.Menghitung masing-masing energi toluen tersubtitusi,atom NO2 pada
posisi orto, meta, para. 11.Mengulang prosedur no 6-8.
12.Mencatat dan membandingkan energi dari kompleks sigma orto, meta dan para.
IV. HASIL PENGAMATAN
No Nama Molekul Bentuk Molekul Tingkat Energi
(kkal/mol)
1 Benzena -1316,0846555
2 Anilin -1481,7411898
o- Anilin -1662,5274451
p- Anilin -1661,7101909
3 Nitrobenzena -1492,8403069
o- Nitrobenzena -1659,5580802
p- Nitrobenzena -1664,8756238
4 Fenol -4185,8047
o- Fenol -4956,2974
p- Fenol -4956,5845
5 Toluena -1598,8241765
o- Toluena -1774,3257509
p- Toluena -1776,0162619
6 Asam benzoat -5737,1133
o- Asam benzoat -2121,0415
m- Asam benzoat -2127,8761
7 Benzaldehid -928,70
o-Benzaldehid -1677,7
m-Benzaldehid -1752,31
8 Aseton -1858.7207
o-Aseton -2067.4775
m-Aseton -1924.7487
9 Bromobenzena - 1285,9926
o-Bromobenzena -1453,7266
m-Bromobenzena - 1461,0168
10 Flourobenzena -1328.1924
o-Flourobenzena -1488.7040
p-Flourobenzena -1504.0172
11
C6H5CO2C2H5 -2165,5618
o- C6H5CO2C2H5 -2334,5879
p- C6H5CO2C2H5 -2338,9724
12
C6H5NHCOCH3
-2022,1774
m- C6H5NHCOCH3 -2197,1057
p- C6H5NHCOCH3 -2199,2791
13
Iodobenzena -1273,4015
m- Iodobenzena -1448,6290
p- Iodobenzena -1448,5441
14
-CN -1516,5242
m- -1690,7692
p- -1690,7275
V. ANALISIS DATA
Suatu benzena yang tersubstitusi oleh substituen amino, NH2, menghasilkan
positif pada atom nitrogen, sehingga energi untuk penstabilan ikatan yang diperlukan menjadi kecil.
NH2 merupakan substituen gugus aktivasi. Adanya gugus ini menyebabkan
cincin benzena lebih terbuka terhadap substitusi lebih lanjut. Gugus NH2
merupakan pengarah –o dan –p, hal ini bisa dilihat dari struktur resonansi anilin sebagai berikut :
Dengan mekanisme substitusi NO2 ke dalam benzena sebagai berikut :
Dikarenakan dalam zat antara untuk substitusi –m nitrogen dari gugus amino tak dapat membantu mengemban muatan positif, sehingga zat antara untuk substitusi –m berenergi lebih tinggi dibandingkan dengan zat antara yang menghasilkan produk –o dan –p.
Sama halnya dengan NH2, gugus –OH juga merupakan gugus pengarah –o dan
–p. gugus amino dan gugus –OH mengaktifkan cincin benzena terhadap subtitusi elektrofilik dengan cara menyumbangkan sepasang elektron kepada cincin lewat resonansi. Substitusi terjadi pada posisi –o dan –p, karena gugus itu membantu mengemban muatan positif dalam zat-zat antara (-o dan –p) ini. Struktur resonansi untuk fenol adalah sebagai berikut :
Sama juga halnya anilin, muatan positif fenol pada posisi –m tidak dapat diemban oleh atom O pada gugus –OH sehingga energinya besar.
Pada toluena, gugus aktivasinya berupa alkil yaitu CH3. Suatu gugus alkil
tidak memiliki pasangan elektron menyendiri untuk disumbangkan bagi penstabilan secara resonansi. Namun, gugus alkil bersifat melepas elektron dengan cara efek induktif. Karena gugus alkil melepaskan elektron ke cincin benzena, cincin ini memperoleh rapatan elektron tambahan dan menjadi menarik bagi elektrofil yang masuk.
Zat antara untuk substitusi –o atau –p keduanya mempunyai struktur resonansi dalam mana muatan positif berada di dekat gugus R. Struktur-struktur ini merupakan penyumbang yang penting untuk penstabilan resonansi, karena gugus R dapat membantu mendelokalisasikan muatan positif dengan cara melepaskan proton dan menurunkan energi keadaan transisi yang menuju ke zat-zat setara ini. Pada zat antara substitusi –m tidak ada stabilitas tambahan karena muatan positif tidak ada yang terletak di dekat gugus alkil (CH3), sehingga zat antara –m akan
berenergi lebih tinggi daripada zat-zat antara –o dan –p.
Sama halnya dengan NH2, gugus –I2 juga merupakan gugus pengarah –o dan –
p, gugus amino dan gugus –I2 mengaktifkan cincin benzena terhadap subtitusi
Sama halnya dengan -I, gugus –F dan –Br juga merupakan gugus pengarah –o dan –p. gugus -I, -F dan -Br mengaktifkan cincin benzena terhadap subtitusi
elektrofilik dengan cara menyumbangkan sepasang elektron kepada cincin lewat resonansi. Substitusi terjadi pada posisi –o dan –p, karena gugus itu membantu mengemban muatan positif dalam zat-zat antara (-o dan –p) ini.
Struktur resonansi untuk bromobenzena adalah sebagai berikut :
Pada gugus iodo dan fluoro merupakan golongan halogen dan pengarah -o, -p tetapi mendeaktivasi cincin terhadap substitusi elektrofilik. Substituen halogen pada cincin benzena mengarahkan sebuah gugus masuk ke posisi -o atau –p. Halogen dapat menyumbangkan elektron-elektronnya dan membantu mengemban muatan positif dalam zat-antara. Pada Fluorobenzen dan Iodobenzen mengandung cincin yang terdeaktivasi, karena penarikan elektron oleh substituen-substituen ini relatif lebih efektif. Dapat disimpulkan bahwa gugus –Fluoro dan -Iodo merupakan pengarah –orto dan -para dengan sifat mendeaktivasi sehingga pada struktur tersebut Fluorobenzena dan Iodobenzen pada posisi -o dan -p lebih stabil daripada posisi –m.
Berikut adalah perbandingan energi kompleks sigma orto, meta, dan para dari anilin, fenol, dan toluena :
Senyawa Kompleks sigma (kkal/mol)
Orto Meta Para
Anilin -1662,527 -1659,2409 -1661,7102
Fenol -4956,2974 -4954,5464 -4956,5845
Toluena -1774,326 -1775,6568 -1776,0163
Dari data di atas terlihat bahwa yang tidak sesuai dengan teori adalah anilin dan fenol. Kemungkinan telah terjadi kesalahan dalam pembuatan struktur molekul sehingga telah terjadi kesalahan dalam perhitungan energi.
Untuk gugus -NO2, -COOH, -CO2C2H5, -NHCOCH3 dan COCH3 merupakan
gugus pendeaktivasi dan pengarah meta. Dalam benzena yang tersubstitusi dengan pengarah meta, atom substituen yang terikat pada cincin benzena tidak mempunyai pasangan elektron menyendiri dan mengemban muatan positif atau positif parsial. Akan nampak dengan mudah bahwa pengarah –m bersifat mendeaktivasi. Masing-masing bersifat penarik elektron dan tak dapat menyumbangkan elektron secara resonansi. Masing-masing mengurangi rapatan elektron cincin dan membuatnya kurang menarik bagi elektrofil yang masuk. Energi keadaan trasisi tahap I lebih tinggi daripada energi untuk benzena tak tersubstitusi.
Suatu pengarah meta tidak mengaktifkan posisi –m terhadap substitusi elektrofilik. Pengarah –m mendeaktivasi semua posisi dalam cincin, hanya saja deaktivasi posisi –m lebih kecil daripada posisi-posisi lain. Struktur resonansi zat –zat antara yang dihasilkan oleh serangan pada berbagai posisi menunjukkan bahwa zat-zat antara –o dan –p didestabilkan oleh dekatnya dua muatan positif. Zat antara –m tidak mempunyai struktur resonansi yang terdestabilkan semacam itu.
Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi NO2 ke dalam
Untuk posisi –o dan –p terdapat salah satu struktur resonansinya yang muatan positifnya terletak berdampingan dengan muatan positif N dari NO2, sehingga
terjadi gaya tolak-menolak dan energi yang diperlukan untuk penstabilan besar. Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -COCH3 ke dalam
asetofenon adalah sebagai berikut :
Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -CN kedalam C6H5CN
Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -NHCOCH3 kedalam
C6H5NHCOCH3 adalah sebagai berikut :
Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi -CO2C2H5 kedalam
Adapun struktur resonansi untuk zat antara substitusi –COH kedalam benzaldehid adalah sebagai berikut :
Pada data di atas, gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN, -COCH3, -NO2,
-COOH dan --COOH merupakan pengarah -meta (bertambahnya deaktivasi) dan bersifat mendeaktifasi. Adanya gugus ini menyebabkan cincin lebih tertutup terhadap substitusi. Atom substituen yang terikat pada cincin benzena tidak mempunyai pasangan elektron menyendiri dan mengemban muatan positif atau positif parsial. Masing-masing bersifat penarik-elektron dan tidak dapat menyumbangkan elektron secara resonansi. Masing-masing mengurangi rapatan elektron cincin dan membuatnya kurang menarik bagi elektrofil yang masuk.
Gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN dan –COCH3, -NO2, -COOH dan -COOH
merupakan pengarah -meta yang tidak mengaktifkan posisi -m terhadap substitusi elektrofilik. Pengarah -m mendeaktivasi semua posisi dalam cincin, hanya saja deaktivasi posisi –m lebih kecil daripada posisi-posisi lain. Dapat disimpulkan bahwa gugus gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN dan –COCH3, -NO2, -COOH
dan -COOH merupakan gugus deaktivasi dan pengarah –meta sehingga pada struktur tersebut gugus -NHCOCH3, -CO2C2H5, –CN dan -COCH3 pada posisi –
meta lebih stabil daripada posisi orto ataupun –para.
juga dari data tersebut bahwa energi yang paling rendah maka itulah senyawa yang paling stabil.
Kestabilan ini berhubungan dengan delokalisasi. Sebagai prinsip yang umum, semakin menyebarnya elektron disekitar dalam kata lain semakin terdekalosasi molekul maka menjadi makin stabil. Kestabilan elektron ini sering dihubungkan dengan kata genergi dari dekalosasi (delocalisation energy). Suatu kestabilan zat-antara yang meningkat berarti bahwa energi transisi akan lebih rendah dan karena itu reaksi akan lebih cepat.
Dalam zat antara untuk subsitusi-m, nitrogen dari gugus nitro tak dapat membantu mengemban muatan positif (periksalah kebenaran pernyataan ini dengan menggambar struktur kekule untuk zat antara tersubtitusi -m). Oleh karena itu, antara untuk substitusi-m berenergi lebih tinggi dibandingkan dengan zat-antara yang menghasilkan produk -o atau –p. Karena zat zat-antara itu berenergi lebih tinggi, maka keadaan tansisinya pun berenergi lebih tinggi, dan laju reaksi pada posisi-m akan lebih rendah.
Struktur resonansi asam benzoat sama dengan struktur resonansi nitrobenzena. Adapun perbandingan energi kompleks sigma orto, meta, dan para adalah sebagai berikut :
Senyawa Kompleks sigma (kkal/mol)
Orto Meta Para
Nitrobenzena -1659,558 -1665,033 -1664,8756
Asam benzoat -1865,681 -1870,698 -1870,1509
C6H5CN -1687,0969 -1690,7692 -1690,7275
C6H5NHCOCH3 -2196,4399 -2197,1057 -2199,2791
C6H5CO2C2H5 -2334,5879 -2338,6335 -2338,9724
Asetofenon -2067.4775 -1924.7487 -2072.0176
Benzaldehid -1677,7 -1752,31 -1752,10
VI. KESIMPULAN
1. Semakin besar energi suatu konformasi maka molekul tersebut semakin tidak stabil.
2. Energi pada kompleks sigma meta akan jauh lebih besar pada gugus pengarah –o dan –p (gugus pengaktivasi).
3. Energi pada kompleks sigma meta akan jauh lebih kecil pada gugus pengarah –m (gugus pendeaktivasi).
4. Dari percobaan ini, yang termasuk dalam pengarah orto, para adalah anilin, fenol, toluena, iodobenzena, fluorobenzena, bromobenzena. Sedangkan yang termasuk pengarah meta adalah nitrobenzena, asetofenon, C6H5CN, C6H5NHCOCH3, C6H5CO2C2H5, benzaldehid dan
asam benzoat.
VII. DAFTAR PUSTAKA
Anwar, Chairil. 1995. Pengantar Praktikum Kimia Organik. Yogyakarta : UI-Press.
Fessenden dan Fessenden. 1982. Kimia Organik Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Tim Dosen Kimia Organik 1. 2008. Panduan Praktikum Kimia Organik 1.
