ALKIL HALIDA :
Tinjauan reaksi subtitusi nukleofilik
Alkil Halida
Organo halogen
Alkil halida Aril halida
Halida vinilik
CCCl3
H
Cl Cl
O
H2 HO C
I
I
I
I
HC
NH2 C O
OH C Cl
H H
Cl
C Cl Cl Cl
Cl
C Cl Cl H
Cl
C C H
H Cl
H
Pembahasan
1. Pembuatan alkil halida : reaksi radikal bebas 2. Reaksi alkil halida :
Reaksi subtitusi : SN1 dan SN2
Reaksi eliminasi : E1 dan E2
R-X (X = F, Cl, Br, I)
Classification of alkyl halides according to the class of the carbon that the halogen is attached to.
RCH
2-X R
2CH-X R
3C-X
1
o2
o3
oNomenclature:
common names: “alkyl halide”
(fluoride, chloride, bromide, iodide)
IUPAC names: use rules for alkanes
halogen = halo (fluoro, chloro, bromo, iodo) Cl
CH
3CH
2CH
2CH
2-Br CH
3CHCH
3n-butyl bromide isopropyl chloride
1-bromobutane 2-chloropropane
1
o2
oCH
3CH
3CH
3CHCH
2CHCH
3CH
3CCH
3Br I
2-bromo-4-methylpentane tert-butyl iodide
2-iodo-2-methylpropane
2
o3
oCH
3Cl-CHCH
2CH
3sec-butyl chloride 2-chlorobutane
2
oSifat-sifat Fisik Alkil Halida:
polar + no hydrogen bonding
=> moderate boiling/melting points Tidak larut dalam air
Pemanfaatan: pesticides, refrigerants (freons), solvents, synthetic intermediates.
CH
3Br CClF
3CCl
41. Sintesis dari Alkohol a) HX b) PX 3
2. Reaksi Adisi Halogenasi hydrocarbon tertentu
3. Pertukaran Halida dari Iodida
Konversi Alkohol menjadi Alkil halide
• Alkohol bereaksi dengan bermacam pereaksi menghasilkan alkil halida.
• Pereaksi yang paling sering digunakan adalah hidrogen halida (HCl, HBr, atau HI), fosfor
tribromida (PBr 3 ), dan tionil klorida (SOCl 2 ).
• Semua reaksi di atas merupakan hasil dari pemutusan ikatan C–O dari alkohol.1.
9
1 Reaksi alkohol dengan hidrogen halida
• Jika alkohol bereaksi dengan suatu hidrogen halida, maka terjadi suatu reaksi substitusi menghasilkan suatu alkil halida dan air.
• Urutan reaktivitas dari hidrogen halida adalah HI > HBr > HCl (HF umumnya tidak reaktif).
• Urutan reaktivitas alkohol: 3º > 2º > 1º > metil.
• Reaksi ini dikatalisis oleh asam.
• Alkohol primer dan sekunder dapat dikonversi menjadi alkil klorida dan alkil bromida melalui reaksi alkil halida dengan natrium halida dan asam sulfat.
1 0
1 1
C O H
CH
3H
3C
CH
3H O H
H
+ C O H
CH
3H
3C
CH
3H
+ O H H
Langkah 1
C O H
CH
3H
3C
CH
3H
Langkah 2
cepat
lambat
C CH
3H
3C
CH
3+ O H H
Langkah 3
C CH
3H
3C
CH
3+ Cl
cepatC Cl
CH
3H
3C
CH
32 Reaksi alkohol dengan PBr 3
• Alkohol primer dan sekunder bereaksi dengan fosfor tribromida menghasilkan alkil bromida.
• Tidak seperti reaksi dengan HBr, reaksi
dengan PBr 3 tidak melibatkan pembentukan karbokation.
• Biasanya berlangsung tanpa penataan-ulang dari kerangka karbon.
• Sering menjadi pereaksi terpilih untuk
mengubah suatu alkohol menjadi alkil bromida yang bersesuaian.
• Reaksi diawali dengan terbentuknya suatu alkil dibromofosfit terprotonasi.
1 2
HOPBr
2dapat bereaksi dengan lebih banyak alkohol sehingga hasil akhir dari reaksi adalah konversi 3 mol alkohol menjadi alkil bromida oleh 1 mol fosfor
tribromida.
1 3
P Br Br
Br
R CH
2O PBr
2Br
+
RCH
2OH
H
+
alkil dibromofosfit terprotonasi
RCH
2OPBr
2Br +
H
RCH
2Br + HOPBr
2Gugus pergi yang baik
R OH + PBr
33 R Br + H
3PO
33
(1
0atau 2
0)
3 Reaksi alkohol dengan SOCl 2
• Tionil klorida mengubah alkohol primer dan
sekunder menjadi alkil klorida (biasanya tanpa penataan-ulang).
• Sering ditambahkan suatu amina tersier ke dalam reaksi untuk memacu reaksi melalui reaksinya dengan HCl.
• Reaksi diawali dengan terbentuknya suatu alkil klorosulfit.
• Kemudian suatu ion klorida (hasil reaksi R 3 N dan HCl) melakukan substitusi S N 2 terhadap suatu gugus pergi yang baik ClSO 2 ¯ .
1 4
• Dekomposisi ClSO
2¯menjadi gas SO
2dan ion Cl
¯mendorong kesempurnaan reaksi.
1 5
R OH + SOCl
2R Cl + SO
2(10 atau 20)
refluks
+ HCl
R
3N + HCl R
3NH + ClH
S Cl Cl
O RCH
2OH +
+
alkil klorosulfit
HCl RCH
2O S Cl
O RCH
2O S
Cl
O H
Cl
RCH
2O S Cl O
Cl + RCH
2Cl + O S Cl
O
RCH
2Cl + SO
2+ Cl
1. From alcohols. #1 synthesis!
a) With HX
R-OH + HX R-X + H
2O
i) HX = HCl, HBr, HI
ii) may be acid catalyzed (H
+) iii) ROH: 3
o> 2
o> CH
3> 1
oiv) rearrangements are possible except with most 1
oROH
CH
3CH
2CH
2CH
2-OH + NaBr, H
2SO
4, heat CH
3CH
2CH
2CH
2-Br
n-butyl alcohol (HBr) n-butyl bromide
1-butanol 1-bromobutane
CH
3CH
3CH
3CCH
3+ HCl CH
3CCH
3OH Cl
tert-butyl alcohol tert-butyl chloride
2-methyl-2-propanol 2-chloro-2-methylpropane CH
3-OH + HI, H
+,heat CH
3-I
methyl alcohol methyl iodide
methanol iodomethane
…from alcohols: b) PX
3i) PX
3= PCl
3, PBr
3, P + I
2ii) ROH: CH
3> 1
o> 2
oiii) no rearragements
CH
3CH
2-OH + P, I
2 CH
3CH
2-I
ethyl alcohol ethyl iodide
ethanol iodoethane
CH
3CH
3CH
3CHCH
2-OH + PBr
3 CH
3CHCH
2-Br
isobutyl alcohol isobutyl bromide
2-methyl-1-propanol 1-bromo-2-methylpropane
2. Halogenation of certain hydrocarbons.
R-H + X
2, Δ or hν R-X + HX (requires Δ or hν; Cl
2> Br
2(I
2NR); 3
o>2
o>1
o)
yields mixtures! In syntheses, limited to those hydrocarbons that yield only one monohalogenated product.
CH
3CH
3CH
3CCH
3+ Cl
2, heat CH
3CCH
2-Cl
CH
3CH
3neopentane neopentyl chloride
2,2-dimethylpropane 1-chloro-2,2-dimethylpropane
3. Halide exchange for iodide.
R-X + NaI, acetone R-I + NaX
i) R-X = R-Cl or R-Br
ii) NaI is soluble in acetone, NaCl/NaBr are insoluble.
CH
3CH
2CH
2-Br + NaI, acetone CH
3CH
2CH
2-I
n-propyl bromide n-propyl idodide
1-bromopropane 1-idodopropane
ROH
RX
RH
HX PX
3X
2, Δ or hν NaI
acetone
CH
3CH
2CH
2CH
2-OH + PBr
3 CH
3CH
2CH
2CH
2-Br
CH
3CH
3CH
3CCH
3+ Cl
2, heat CH
3CCH
2-Cl
CH
3CH
3CH
3CH
2CH
2-Br + NaI, acetone CH
3CH
2CH
2-I
CH
3CH
3CH
3C-OH + HBr CH
3C-Br
CH
3CH
3NR NR
NR
NR
NR NR
NR
NR NR
R-H R-X
Acids Bases
Active Metals Oxidants
Reductants
Halogens
Reactions of alkyl halides:
1. Nucleophilic substitution Best with 1
oor CH
3!!!!!!
R-X + :Z
- R-Z + :X
-2. -
3. Preparation of Grignard Reagent R-X + Mg RMgX
4. Reduction
R-X + Mg RMgX + H
2O R-H
R-X + Sn, HCl R-H
nucleophilic substitution
R-W + :Z
- R-Z + :W
-substrate nucleophile substitution leaving product group
good nucleophile strong base
good leaving group weak base
R-X + :OH
- ROH + :X
-alcohol R-X + H
2O ROH + HX alcohol R-X + :OR´
- R-O-R´ + :X
-ether R-X +
-:CCR´ R-CCR´ + :X
-alkyne R-X + :I
- R-I + :X
-iodide R-X + :CN
- R-CN + :X
-nitrile
R-X + :NH
3 R-NH
2+ HX primary amine
R-X + :NH
2R´ R-NHR´ + HX secondary amine
R-X + :SH
- R-SH + :X
-thiol
R-X + :SR´ R-SR´ + :X
-thioether Etc.
Best when R-X is CH
3or 1
o!
CH
3CH
2CH
2-Br + KOH CH
3CH
2CH
2-OH + KBr CH
3CH
2CH
2-Br + HOH CH
3CH
2CH
2-OH + HBr CH
3CH
2CH
2-Br + NaCN CH
3CH
2CH
2-CN + NaBr
CH
3CH
2CH
2-Br + NaOCH
3 CH
3CH
2CH
2-OCH
3+ NaBr CH
3CH
2CH
2-Br + NH
3 CH
3CH
2CH
2-NH
2+ HBr
CH
3CH
2CH
2-Br + NaI, acetone CH
3CH
2CH
2-I + NaBr
R X Y - R Y X -
Subtitusi Nukleofilik
Reaksi Umum :
Alkil halida Gugus pengganti
Gugus pergi (leaving group)
Mekanisme
SN1 SN2
Produk
+
+ Y R Y X
R X
stronger base
weaker base
K > 1
Br + NaF F + NaBr
SB WB
Br I
+ NaI + NaBr (s)
WB SB
acetone
Gugus pergi merupakan basa lemah
Reaktivitas: R-I > R-Br > R-Cl >> R-F
L.G. baik Lebih reaktif
L.G. buruk Kurang reaktif
Gugus Pergi (Leaving groups)
Basa kuat
Basa lemah
Reaksi umum :
Contoh :
Basa kuat
Basa lemah
Rumus umum laju reaksi : V = k
1[RX] + k
2[RX][Y
–]
RX = CH
3X 1º 2º 3º
k
1meningkat
k
2meningkat
k
1~ 0
V = k
2[RX][Y
–] (bimolekular)
S
N2
k
2~ 0 V = k
1[RX]
(unimolekular) S
N1
Mekanisme SN
Mekanisme S N 2
A. Kinetika
Contoh: CH
3I + OH
– CH
3OH + I
–V = k[CH
3I][OH
–], bimolekular
Kedua spesi terlibat dalam tahap penentu laju reaksi Reaktivitas: R-I > R-Br > R-Cl >> R-F
Pemutusan ikatan C-X terlibat dalam penentu laju reaksi
serentak, mekanisme satu tahap
CH3I + OH–
CH3OH + I– [HO---CH3---I]–
B. Stereokimia
H Br HO H
NaOH
(R)-(–)-2-bromooktan (S)-(+)-2-oktanol
Reaksi stereospesifik:
Reaksi berlangsung dengan konfigurasi inversi
Mekanisme S N 2
HO C I H
H H
C H
I HO
H H
C H HO H
H
I +
+
-HO C I HO C I HO C I
C. Mekanisme
serangan LG dari arah berlawanan Konfigurasi inversi
Mekanisme S N 2
D. Efek Sterik
e.g., R–Br + I
– R–I + Br
–Senyawa Kec.Relatif
metil CH
3Br 150
1º RX CH
3CH
2Br 1
2º RX (CH
3)
2CHBr 0.008 3º RX (CH
3)
3CBr ~0
Halangan sterik
meningkat
C Br H
H H I
H C H
C Br H C
H H
H H
H H C I
Halangan sterik minimal
Halangan sterik minimal
Reaktifitas terhadap S
N2:
CH
3X > 1º RX > 2º RX >> 3º RX bereaksi dgn
mekanisme S
N2 (k
2large)
lebih sulit Tidak bereaksi dgn mekanisme
S
N2 (k
2~ 0)
Mekanisme S N 2
E. Nukleofil Vs Nukleofilisitas
1. Anions R X + OH R OH + X
+
+ CN R CN X
R X
R X R O H
H
+ +
+
+ R O R'
H R X
H
2O
R'OH
X
X
ROH + HX
ROR' + HX hidrolisis
alkoholisis
2. Species netral
Nu sangat baik: I
–, HS
–, RS
–, H
2N
–Nu baik: Br
–, HO
–, RO
–, CN
–, N
3–fair Nu: NH
3, Cl
–, F
–, RCO
2–Nu buruk: H
2O, ROH Nu sangat buruk: RCO
2H
Mekanisme S N 2
Jenis Nukleofil :
Nukleofilisitas :
A. Kinetik
C CH
3H
3C
CH
3Br CH
3OH H
3C C
CH
3CH
3O CH
3HBr
+ +
contoh :
3º, tidak melalui S
N2
V = k[(CH
3)
3CBr] unimolekular
Penetu laju reaksi tergantung hanya pada (CH
3)
3CBr
Mekanisme S N 1
B. Mekanisme
C CH
3H
3C
CH
3Br
C H
3C
CH
3CH
3O CH
3+ HBr
RLS: C
CH
3H
3C
CH
3+ Br
C CH
3H
3C
CH
3HOCH
3C
CH
3H
3C
CH
3O
H CH
3C CH
3H
3C
CH
3O
H CH
3-H
+tahap
penentu laju reaksi
Mekanisme S N 1
C. Diagram Energi Mekanisme dua tahap:
RBr + CH3OH
R+
ROCH3 + HBr
Mekanisme S N 1
E. Stereokimia: stereorandom
CH
3CH
2Br
H
CH
3CH
3CH
2OH
H
CH
3CH
3CH
2H
OH
CH
3H
2O +
racemic
CH
3CH
2C H CH
3+
OH
2OH
2sp
2, trigonal planar
Mekanisme S N 1
rasemat
F. Stabilitas Karbokation
Stabilitas R
+: 3º > 2º >> 1º > CH
3+Raktivitas R-X terhadap S
N1: 3º > 2º >> 1º > CH
3X CH
3+1º R
+2º R
+3º R
+Kemungkinan penataan ulang
Mekanisme S N 1
S N 1 vs S N 2
A. Efek pelarut
nonpolar: heksan, benzen
moderat polar: eter, aseton, etil asetat polar protic: H
2O, ROH, RCO
2H
polar aprotic: DMSO DMF asetonitril
H C O
N(CH
3)
2CH
3C N CH
3S
O
CH
3Jenis pelarut :
Mekanisme S
N1 didukung oleh pelarut protik polar
Menstabilkan R
+, X
–(relatif RX)
RX
R+X–
dalam pelarut kurang polar dalam pelarut lebih polar A. Efek pelarut
S N 1 vs S N 2
A. Efek pelarut
Mekanisme S
N2 didukung oleh pelarut polar dan semi polar
destabilisasi Nu–, meningkatkan nukleofilisitas
RX + OH–
ROH + X– dalam DMSO
dalam H2O
S N 1 vs S N 2
dalam H
2O, OH
-membentuk ik. hidrogen OH
-kurang reaktif
dalam DMSO,
pelarutan OH
-lemah,
OH
-lebih reaktif
B. Kesimpulan
RX = CH
3X 1º 2º 3º
V SN1 meningkat (stabilitas karbokation)
V SN2 meningkat (efek sterik)
bereaksi terutama melalui SN2 (k1 ~ 0, k2 besar)
bereaksi terutama melalui SN1
(k2 ~ 0, k1 besar) dapat
bereaksi dgn kedua mekanisme
S
N2 jika ada Nu baik (V = k
2[RX][Nu])
-biasanya dalam pelarut polar aprotik
S
N1 dapat terjadi tanpa kehadiran No baik (V = k
1[RX]) - biasanya dalam pelarut polar protik (solvolisis)
S N 1 vs S N 2
Eliminasi alkil halida: dehidrohalogenasi
C H
C X
C C
+ B + BH + X
Basa kuat : KOH/ethanol; CH
3CH
2ONa/CH
3CH
2OH; tBuOK/tBuOH
Eliminasi
Reaksi Umum :
alkil halida basa
kuat produk
(alkena) Mekanisme
E1 E2
Br
+ +
EtONa EtOH
61% 20% 19%
Br
EtONa + EtOH
71% 29%
Eliminasi
Produk mengikuti aturan Zaitsev :
alkena lebih stabil, dihasilkan lebih banyak
Mekanisme E2 : eliminasi bimolekuler
• Reaksi adalah bimolekul, V tergantung pada konsentrasi RX dan B
–V = k[RX][B
–]
Tahap penentu laju reaksi melibatkan konsentrasi B
–• reactivity: RI > RBr > RCl > RF
Tahap penentu laju reaksi melibatkan pemutusan ikatan R—X
(Reaksi tidak tergantung pada jenis RX apakah 1º, 2º, atau 3º)
kekuatan ikatan R—X meningkat
Mekanisme E2
A. Satu tahap, mekanisme serentak:
C C X
H
C C X
B H
C C B H
X
B
Br + OH-
Zaitsev
Mekanisme E2
B. Anti elimination
H
C C X
H
C C X
anti periplanar
-kebanyakan molekul dapat mengadopsi
konformasi lebih mudah
Eliminasi E2 biasanya terjadi ketika H dan X adalah anti syn periplanar
-tetapi eklips!
Mekanisme E2
CH
3Br
Br CH
3+ EtONa
EtOH
"
"
major minor
major
Contoh :
Mekanisme E2
B. Anti elimination
CH
3Br H H
CH
3Br
H H
but
Br harus aksial untuk menjadi anti terhadap H:
Br anti terhadap kedua H
produk berorientasi Zaitsev
Br anti hanya pada H yang
memberikan produk berorientasi non-Zaitsev
Mekanisme E2
Penjelasan contoh : B. Anti elimination
tetapi
Mekanisme E2:
V = k[RBr][B
–]
Reaktivitas: RI > RBr > RCl > RF (tidak ada efek 1º, 2º, 3º)
Namun jika:
Maka :
V = k[RBr] E1
Reaktivitas: RI > RBr > RCl > RF (melibatkan pemutusan R–X) dan: 3º > 2º > 1º (melibatkan R
+)
A. Mekanisme E1
minor major
EtONa
EtOH +
Br
minor major
EtOH +
Br
Mekanisme E1
Step 1:
(RLS)
Step 2:
Br
H
+ Br
EtOH
+ EtOH
2EtOH + HBr
- R
+dapat mengalami penataan ulang
eliminasi biasanya terjadi dengan ketidakhadiran basa kuat
Mekanisme E1
A. Mekanisme E1
Tahap 1:
Penentu laju
Tahap 2:
Subtitusi Vs Eliminasi
A. Reaksi unimolekuler (SN1, E1) atau bimolekuler (SN2, E2)?
V = k
1[RX] + k
2[RX][Nu / B]
• faktor ini akan membesar jika konsentrasi Nu atau B meningkat
Reaksi bimolekular (S
N2, E2) didukung oleh konsentrasi Nu baik atau B kuat yang tinggi
• faktor ini akan bernilai nol jika konsentrasi Nu atau B juga nol
reaksi unimolekular (S
N1, E1) terjadi pada ketidak
hadiran Nu baik atau B kuat
B. Bimolekular: S
N2 or E2?
efek sterik meningkat
Nu memiliki efek sterik yang besar
Rate = k
SN2[RX][Nu] + k
E2[RX][B]
Subtitusi Vs Eliminasi
Br
Br
Br
Br
NaOEt
O
O
O
+
+
tBuOK +
91% 9%
13% 87%
100%
15% 85%
"
"
