Manipulasi Gugus Fungsi

Functional Group Manipulation

     Tahapan sintesis dapat dilakukan dengan terlebih dahulu analisis pengenalan gugus fungsional yang ada pada molekul target yang terkait dengan reaksi-reaksi kimia organik yang memungkinkan. Berdasarkan penentuan diskoneksi yang akan dilakukan dapat dilakukan secara langsung atau dilakukan pengubahan gugus fungsi terlebih dahulu atau manipulasi gugus fungsi yang dengan ini memungkinkannya untuk dilakukan sintesis.
      Berikut merupakan cara yang dapat dilakukan untuk manipulasi gugus fungsi dalam sintesis organik:

1. Protecting Group

       Gugus pelindung dibutuhkan apabila pada reaksi sintesis diinginkan yang berekasi adalah gugus yang kurang reaktif dari dua gugus fungsional yang berbeda, atau apabila produk pertama dari suatu reaksi mempunyai satu gugus fungsional yang sama atau lebih reaktif dibandingkan bahan awal, maka gugus yang lebih reaktif harus dilindungi dengan gugus pelindung.

A. Metoksietoksimetil (MEM)
        Pada reaksi berikut ini dilakukan proteksi gugus OH pada molekul yang mengandung lebih dari 1 gugus fungsional hal ini bertujuan untuk mensintesis asam gibberellat yang membutuhkan triol (15) yang mempunyai gugus OH bebas oleh karena itu perlu dilindugi dengan gugus MEM. Pada (13) terjadi ozonisasi ikatan rangkap, memasukkan dan melindungi gugus OH baru yang yang kemudian di deprotonasi dengan CF3CO2H untuk menghilangkan MEM.

 

C. Oxidation and reduction protocols

Oksidasi senyawa organik merupakan keadaan terjadinya pembentukan ikatan antara karbon dan atom yang lebih elektronegatif (biasanya O, N, atau halogen) atau dengan pemutusan ikatan antara karbon dan atom kurang elektronegatif (biasanya H) sehingga dapat menghilangkan kerapatan elektron pada karbon yang disebabkan oleh. Sebaliknya, reduksi organik menghasilkan penguatan kerapatan elektron pada karbon yang disebabkan oleh pembentukan ikatan antara karbon dan atom yang kurang elektronegatif atau dengan pemutusan ikatan antara karbon dan atom yang lebih elektronegatif. 

Oksidasi mengurangi densitas elektron pada karbon dengan :

-         Membentuk salah satu dari  : C-O; C-N; C-X

-         Memutuskan ikatan            : C-H

Reduksi meningkatkan kerapatan elektron pada karbon dengan :

-         Membentuk                        : C-H

-         Memutuskan salah satu dari : C-O; C-N; C-X

Berdasarkan definisi ini, maka reaksi klorinasi metana untuk menghasilkan klorometana adalah oksidasi karena ikatan C-H rusak dan terbentuk ikatan C-Cl. Sedangkan, pada konversi alkil klorida menjadi alkana melalui pereaksi Grignard diikuti oleh protonasi adalah reduksi karena ikatan C-Cl rusak dan terbentuk ikatan baru C-H. 

                                                           DAFTAR PUSTAKA

McMurry, J.E. 2012. Organic Chemistry, Eighth Edition. USA : Cengage Learning.

 

pertanyaan:
1. pada penggunaan gugus pelindung MEM digunakan untuk melindungi gugus alkohol, bagaimana jika dalam suatu sintesis terdapat 2 gugus alkohol yang akan dilindung, apakah MEM dapat melindungi kedua gugus tersebut?
  2. pada reaksi berikut, tentukan keadaan apa (oksidasi atau reduksi) yang terjadi dan keadaan apa yang terjadi pada reaksinya

Kimia Organik Sintesis

SINTESIS ALKUNA

      Alkuna merupakan senyawa organik dimana terdapat ikatan rangkap tiga karbon-karbon yang  terdiri atas tumpang tindih ujung dengan ujung dari duaa orbital hibridi sp untuk membentuk ikatan σ dan tumpang tindih lateral dari dua set orbital p yang sejajar membentuk dua ikatan π yang saling tegak lurus.

           Alkuna dapat disintesis dengan beberapa metode, seperti:

1. melalui Alkilasi

2. dengan reaksi katalis Paladium (Pd)

3. dengan Metatesis

1. Sintesis Alkuna dengan Alkilasi

     Alkilasi merupakan suatu reaksi penambahan gugus alkil pada starting material berupa alkuna yang menghasilkan produk alkuna yang baru, salah satu contoh:

reaksi alkilasi pada asetilena

mekanisme reaksi yang terjadi:

    Asetilena yang merupakan suatu alkuna sederhana dimana atom hidrogen yang melekat pada karbon yang berikatan rangkap tiga bersifat asam lemah karena  adanya hibridisasi pada karbon yang menjadi lebih bersifat s dan kurang bersifat p. oleh karena sifat atom Hidrogennya yang merupakan asam lemah sehingga hidrogen ini akan lebih muda diambil oleh basa yang sangat kuat seperti Natrium amida (Na-NH2 ).

       Setelah Amida  mengikat hidrogen, dan hidrogen terlepas dari asetilena maka terbentuklah anion asetalida yang bermuatan negatif dan memiliki pasangan elektron bebas sehingga karbon ini dapat bertindak sebagai nukleofil kuat. Selanjutnya anion asetilida akan bereaksi dengan alkil halida seperti bromometana dengan terlebih dahulu membentuk keadaan transisi/intermediet, dimana elektron pada nukleofil menyerang karbon pada alkil halida yang terpolarisasi positif didalam bromometana dan adanya desakan elektron pada karbon (alkil halida) menyebabkan bromo (halida) terlepas dan mengikat Natrium menjadi NaBr. Sedangkan hasil reaksi antara nukleofil dan alkil menghasilkan produk berupa alkuna yang baru yakni Propuna.

      Pembentukan terminal alkuna dapat dilakukan dengan alkilasi asetilena sedangkan pembentukan internal alkuna dapat dilakukan dengan alkilasi pada terminal alkuna. Dan syarat dari alkilasi adalah alkil halida yang digunakan haruslah alkil halida (bromida atau iodida) primer tidak diperkenankan untuk alkil halida sekunder atau primer karena tidak akan membentuk alkilasi tetapi akan terjadi dehidrohalogenasi.

2. Reaksi Alkuna dengan katalis Paladium (Pd)

Banyak produk baru yang dapat disintesis dengan mereaksikan antara alkuna (sebagai starting material) dengan katalis Palladium, dimana umumnya katalis Pd berperan dalam adisi ikatan rangkap tiga pada alkuna. Dimana reaksi yang dapat terjadi adalah:

      Salah satu reaksi  alkuna dengan katalis Palladium (Pd) adalah pada (section 5) reaksi hidrogenasi alkuna dimana terjadi adisi ikatan rangkap dimana katalis paladium khusus (disebut katalis Lindlat) dapat mengendalikan adisi hidrogen sehingga hanya 1 mol hidrogen yang mengadisi. Dalam hal ini produknya ialah cis-alkena, sebab kedua hidrogen mengadisi muka yang sama pada ikatan rangkap tiga dari permukaan katalis.

hidrogenasi alkuna

Pembentukan senyawa alkena yang tersubstitusi aril juga dapat dibuat dengan mereaksikan alkuna dengan bantuan katalis Pd terhadap reaksi hidroarilasi. Dimana pada mekanisme reaksinya terlebih dahulu terjadi transisi logam palladium pada alkuna

reaksi hidroarilasi alkuna

       Pada reaksi sintesis Alkuna terjadi melalui reaksi pada (section 6) pada reaksi ini terjadi

pada reaksi ini penggunaan aril bromida  yang dikatalisis paladium berupa [Pd (C3H5) Cl] akan bereaksi dengan terminal alkuna  yang akan menggantikan posisi bromida. menghasilkan senyawa baru berupa alkuna tersubstitusi.

3. Reaksi Metatesis
Reaksi metatesis merupakan reaksi yang melibatkan pertukaran bagian dari pereaksi (terjadi substitusi) .  

metatesis pada alkuna

salah satu contoh reaksi sintesis alkuna dengan reaksi metatesis diatas adalah melalui pembentukan  alkylidiena dimana terjadi melalui reaksi antara metatesis alkuna dengan senyawa alkuna lainnya. Pada reaksi terlebih dahulu terjadi penutupan cincin dengan adanya reaksi intarmolekul membentuk  metalsiklobutadiena yang selanjutnya dengan adanya resonansi dari elektron pada orbital π  yang kemudian membentuk senyawa baru berupa asetilena dan alkildiena dengan adanya pertukaran alkil antara 2 pereaksi alkuna.

DAFTAR PUSTAKA

  Chinchilla, R dan  C. Najera. 2013. “Chemicals from Alkynes with Palladium Catalysts”. Chem Review. 

  Hart, H., L. E. Crain dan D.J. Hart. 2003. Kimia Organik. Jakarta: Erlangga.

  Zhang, W dan  J. S. Moore. 2006. “Alkyne Metathesis: Catalysts and Synthetic Applications”. Adv. Synth. Catal.  349, 93 – 120.

FORUM DISKUSI

1. Bagaimana syarat sintesis alkuna dengan melalui reaksi alkilasi?

2. Apakah reaksi metatesis dapat dilakukan dengan bantuan katalis, katalis apa yang dapat digunakan?

GUGUS PERGI DAN PENGARUH GUGUS TETANGGA

Reaksi substitusi senyawa organic sangat dipengaruhi oleh peran dari gugus pergi dan juga dipengaruhi oleh gugus tetangga dimana hal ini dapat mempengaruhi kecepatan reaksi serta produk yang dihasilkan.

Pengaruh Gugus Pergi

Pada reaksi substitusi nukleofilik diketahui adanya serangan nukleofil yang menyebabkan tereliminasinya gugus pergi. Dimana Gugus pergi adalah substituen yang terlepas dari substrat, yang berarti atom atau gugus apa saja yang di geser dari ikatannya dengan atom karbon karena berdasarkan sifatnya Gugus pergi merupakan  suatu basa yang lemah jika di bandingkan dengan nukleofil. Sehingga untuk berjalannya reaksi perlu diketahui sifat dari kestabilan gugus pergi yang baik pada reaksi subtitusi SN1 atau SN2.

Reaksi nukleofilik

Substitusi kerap terjadi terhadap ikatan C-X (karbon halide) yang dimana unsur halida merupakan gugus perginya  dan terdapat faktor penting pada berlangsungnya reaksi yakni kekuatan dari ikatan C-X dan kestabian ion halida.

Berdasarkan kekuatan ikatan halida tersebut diketahui bahwa ikatan C-I lebih mudah digantikan (tersubstitusi) dibandingkan C-F sehingga Iodin adalah gugus pergi yang lebih baik. Sedangkan berdasarkan nilai  pKa, HI adalah asam yang lebih kuat sehingga lebih mudah terionisasi menjadi H⁺ and I^–.

 Hydroxide Ion(OH₂) methoxide ion(CH₃O₂) dan  amide ion(NH₂) adalah gugus pergi yang lemah dan jarang ditemukan.

Pengaruh Gugus Tetangga

Pada suatu reaksi adanya partispasi gugus tetangga yang memiliki pasangan elektron bebas (PEB) dapat menyebabkan kecepatan reaksinya lebih

besar daripada yang diharapkan, dan konfigurasi pada atom kiralnya

dipertahankan. Mekanis reaksi SN₂ dengan adanya pengaruh ugus tetangga terjadi dengan 2 tahap.

  ü  Tahap pertama,  gugus tetangga bertindak sebagai nukleofil yang memaksa gugus-pergi untuk keluar, tapi tetangga tersebut masih tetap bertahan terikat pada atom karbon di mana gugus-pergi terikat sebelumnya.

  ü  Tahap kedua, nukleofil eksternal mengusir gugus tetangga melalui serangan dari arah belakang.

Kecepatan reaksi yang teramati adalah lebih cepat daripada jika Y menyerang secara langsung. Hal ini karena jika reaksi di mana Y menyerang secara langsung adalah reaksi yang lebih cepat maka reaksi itulah yang seharusnya terjadi, namun fakta yang diperoleh tidak mendukung untuk terjadinya reaksi tersebut. Hukum kecepatan reaksi dalam mekanisme partisipasi gugus-tetangga adalah order satu, Y tidak mengambil bagian dalam tahap penentu kecepatan reaksi.

Sehingga diketahui serangan Z lebih cepat daripada serangan Y. Karena gugus Z (gugus tetangga) lebih tersedia pada posisi yang tepat; sedangkan untuk bereaksi dengan Y, Y harus bertumbukan dengan substrat. Reaksi antara substrat dengan Y melibatkan penurunan entropi aktivasi yang besar (ΔSǂ) karena dalam keadaan transisi, reaktan jauh kurang bebas daripada sebelumnya. Reaksi Z melibatkan pelepasan ΔSǂ yang jauh lebih kecil.

Partisipasi Gugus Tetangga Melalui Ikatan p dan s

Partisipasi melalui ikatan p C=C serta ikatan s C-C dan C-H. Pastisipasi ini ada yang melibatkan spesies-antara yang disebut dengan karbokation non-klasik. Di dalam karbokation non-klasik, muatan positif berlokasi pada satu atom karbon atau terdelokalisasi melalui resonansi yang melibatkan pasangan elektron bebas atau ikatan rangkap dua atau ikatan rangkap tiga dalam posisi alilik. Jika suatu ikatan rangkap dua atau rangkap tiga karbonkarbon berpartisipasi dalam proses perginya gugus-pergi untuk membentuk karbokation, maka hal itu dimungkinkan melibatkan karbokation non-klasik.

 Contohnya: C=C sebagai gugus tetangga

Bukti yang kuat bahwa gugus C=C dapat bertindak sebagai gugus tetangga adalah asetolisis senyawa 8 lebih cepat 10¹¹ kali daripada senyawa 9, dan berlangsung dengan mempertahankan konfigurasi. Hal ini disebabkan oleh gugus C=C yang membantu perginya gugus Ots (kebedaan karbokation non-klasik) yang ditunjukkan pada kation norbornaldienil (10) yang relatif stabil.

kereaktifan reaksi asetolisis dengan adanya gugus tetangga

Jadi ada interaksi antara karbon bermuatan dengan satu ikatan rangkap dua, yang mana dapat dijadikan bukti untuk keberadaan ion non-klasik yang analog dengannya.

Forum Diskusi:

1. apa penyebab gugus halida menjadi gugus pergi yang baik?

2. selain halida, gugus apa yang dapat dijadikan sebagai gugus pergi pada
              reaksi substitusi?

3. adakah kriteria gugus tetangga yang baik, yang dapat meningkatkan
              laju reaksi?

DAFTAR PUSTAKA

Firdaus, 2013, Kimia Organik Fisik II. Makassar: Universitas Hasanuddin.

William H. B., C. S. Foote., B. L. Iverson., E V. Anslyn. 2009. Chemistry, Sixth Edition. Usa: Brooks/Cole, Cengage Learning.

Pembentukan ikatan C-C, Penyerangan Elektrofilik dan Nukleofilik

Pembentukan Ikatan karbon-Karbon (C-C)

Pembentukan ikatan antara dua atom digambarkan dengan kemajuan overlap orbital-orbital atom yang membentuk ikatan., pembentukan ikatan C-C bisa terjadi melalui beberapa reaksi:

ü  Reaksi antara karbon nukleofil dan karbon elektrofil, seperti pada gambar di bawah ini : 

ü  Reaksi radikal bebas tetapi dalam sintesis tidak digunakan karena reaksi yang tak terkenali dapat menyebabkan reaksi berantai:

ü  Reaksi adisi pada ikatan rangkap yakni:

1. Hidroksilasi Alkena

Merupakan peristiwa adisi gugus –OH pada kedua karbon ikatan rangkap. Dapat terjadi dengan mereaksikan alkena dengan osmium tetroksida. Reaksi terjadi secara syn stereokimia dan menghasilkan 1,2-dialkohol, atau disebut diol. Hidroksilaksi alkena tidak melibatkan pembentukan intermediet karbokation tetapi intermediet cyclic osmate yang terbentuk dalam satu tahap adisi OSO4 pada alkena. Cyclic osmat ini kemudian dipecah menggunakan sodium bisulfat (NaHSO3).

2. Reaksi ozonolisis

        Ozon (O3) biasanya digunakan untuk memecah ikatan rangkap dalam alkena. Ozon dapat mengadisi dengan cepat pada alkena membentuk intermediet molozonide

yang dengan cepat pula mengalami penataan ulang membentuk ozonida. Ozonida kemudian diperlakukan dengan reduktor seperti logam zinc dalam asam asetat untuk mengubahnya menjadi senyawa karbonil. Hasil akhir ozonolisis adalah pecahnya ikatan rangkap C=C dan digantikan dengan ikatan rangkap dengan oksigen.

Penyerangan Nukleofil

Di dalam substitusi nukleofilik, pereaksi penyerang (nukleofil) membawa sepasang elektron kepada substrak, menggunakan pasangan elektron tersebut untuk membentuk ikatan baru, dan gugus-pergi (nucleofuge) pergi menjauh dengan membawa satu pasangan elektron.

  Ø  Mekanisme SN2

SN2 adalah simbol yang diberikan untuk substitusi nuklefilik bimolekul. Di dalam mekanisme ini terdapat serangan pada sisi belakang, nukleofil mendekati substrat dari posisi 180° menjauh dari gugus-pergi. Reaksi tersebut adalah proses satulangkah tanpa spesies-antara, ikatan C-Y terbentuk bersamaan dengan putusnya ikatan C-X.

Mekanisme SN2

Energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan C-X disuplai oleh energi pembentukan ikatan C-Y yang terjadi secara bersamaan dengannya. Pada saat keadaan transisi tercapai, atom karbon pusat segera berubah dari hibrida sp³ menjadi hibrida sp2 dengan orbital p yang tegak lurus pada bidang datar. Satu cuping (lobe) orbital p overlap dengan orbital nukelofil dan cuping yang lain overlap dengan orbital gugus-pergi. Inilah sebabnya sehingga di dalam mekanisme SN2 tidak pernah ditemukan serangan nukleofil dari sisi depan (sisi di mana gugus-pergi akan pergi). Selama keadaan transisi, ketiga gugus yang tidak bereaksi akan sebidang dengan atom karbon pusat. Keempatnya benar-benar akan sebidang jika gugus yang masuk sama dengan gugus yang keluar.

  Ø  Mekanisme SN1

Tahap pertama reaksi SN1 adalah langkah lambat ionisasi substrat, dan langkah ini sebagai langkah penentu kecepatan reaksi. Langkah kedua adalah reaksi cepat antara zat-antara dengan nukleofil. Proses ionisasi selalu dibantu oleh pelarut karena kebutuhan energi untuk memutuskan ikatan sebagian besar dipenuhi oleh solvasi R+ dan X. Di dalam sistem tanpa pelarut, proses sederhana ini tidak akan terjadi, kecuali suhu ditinggikan. Kebanyakan reaksi SN1, beberapa produk terbentuk bukan dari karbokation bebas melainkan dari pasangan-pasangan ion. Menurut konsepnya, reaksi SN1 berlangsung dalam cara:

Mekanisme SN1

Dalam hal ini, spesies 5 adalah pasangan ion yang rapat, 6 adalah pasangan ion yang terpisah atau tersekat oleh pelarut, dan 7 adalah pasangan ion yang tarurai (masing-masing ion dikerumuni oleh molekul-molekul pelarut). Di dalam spesies 5 dan 6, X- disebut counterion atau gegenion. Produk reaksi dapat dihasilkan dari serangan nukleofil dalam tahap yang mana saja. Serangan nukleofil pada spesies 5 akan menghasilkan produk inversi karena nukleofil tidak dapat menyerang dari sisi di mana X- berada.

Penyerangan Elektrofil

Pereaksi yang mengambil pasangan elektron disebut elektrofil dan reaksinya disebut elektrofilik. Dengan mekanisme:

Mekanisme SE

Reaksi elektrofilik biasanya terjadi pada senyawa aromatis yang dimana telah dijelaskan pada materi sebelumnya.

Forum Diskusi:

1. Pada pembentukan Ikatan karbon-Karbon (C-C) reaksi radikal jarang digunakan untuk sintesis mengapa demikian?

2. Apa yang menyebabkan senyawa aromatik jarang mengalami substitusi nukleofil?

3. Apa yang menjadi faktor penting suatu reaksi dapat mengalami penyerangan elektrofil maupun nukleofil?

DAFTAR PUSTAKA

Fessenden, R.J dan J.S. Fessenden. 1982. Organic Chemistry Third Edition. Jakarta : Erlangga.

Firdaus, 2013, Kimia Organik Fisik II. Makassar: Universitas Hasanuddin.

Hart, H., Crain,L.E., Hart,D.J. 2003. Kimia Organik. Jakarta : Erlangga.