Substitusi Nukleofilik
Reaksi substitusi nukleofilik adalah reaksi ketika suatu nukleofil secara selektif menyerang suatu molekul bermuatan positif atau parsial positif. Saat hal tersebut terjadi, nukleofil akan menggantikan gugus pergi. Pada reaksi semacam ini, Lewis basa dapat bereaksi dengan alkil halida untuk membentuk alkena, di mana basa Lewis bertindak sebagai nukleofil biasanya bermuatan netral atau negatif, Sedangkan substrat biasanya bermuatan netral atau positif.
Pada reaksi substitusi nukleofilik pada gambar di atas, tahapan proses lepasnya gugus pergi dan proses pembentukan ikatan substrat dengan nukleofil menentukan mekanisme reaksi yang terjadi. Berdasarkan kinetikanya, proses lepasnya gugus pergi dapat terjadi terlebih dahulu, kemudian terjadi proses pembentukan ikatan substrat dengan nukleofil ataupun proses lepasnya gugus pergi dapat terjadi bersamaan dengan proses pembentukan ikatan substrat dengan nukleofil. Hal ini menghasilkan dua bentuk mekanisme reaksi substitusi nukleofilik (SN), yaitu reaksi SN1 (unimolekuler) dan SN2 (bimolekuler).
Pembentukan Gugus Fungsi Oleh Substitusi Nukleofilik
Pada alkil halida terdapat halogen yang bertindak sebagai gugus pergi pada karbon dan lepas sebagai anion dalam reaksi substitusi nukleofilik. Karbon- ikatan halogen dari alkil halida terputus secara heterolitik. Nukleofil yang paling sering ditemui dalam transformasi gugus fungsi sebagai anion tabel.
| Nukleofilik | Persamaan Reaksi |
Ion Alkoksida  Atom oksigen dari logam alkoksida bertindak sebagai nukleofil untuk menggantikan halogen dari alkil halida. Produknya adalah eter. |  |
Ion Karboksilat  Ester terbentuk ketika nukleofil ion karboksilat bereaksi dengan Alkil halida |  |
Ion Hidrogen Sulfida  hidrogen sulfida sebagai nukleofil dalam alkil halida membentuk Senyawa yang dikenal tiol. |  |
Ion sianida  Penggunaan ion sianida sebagai nukleofil membentuk produknya adalah alkil sianida, atau nitril. |  |
Ion Azida  Ion Azida sebagai nukleofil membentuk produknya adalah alkil azida. |  |
Ion iodida  Ion iodida sebagai nukleofil membentuk produknya adalah alkil iodida, dan substratnya dalam Alkil klorida, atau bromide |  |
Reaktivitas Gugus Pergi Halida
Di antara alkil halida, alkil iodida mengalami substitusi nukleofilik pada laju tercepat, alkil fluorida paling lambat dalam urutan reaktivitas alkil halida dalam substitusi nukleofilik, urutannya sebagai berikut
Alkil iodida beberapa kali lebih reaktif daripada alkil bromida dan 50 hingga 100 kali lebih reaktif dibandingkan alkil klorida. Floirda memiliki ikatan yang kuat dengan karbon, sehingga sulit untuk lepas. Alkil fluorida jarang digunakan sebagai substrat dalam substitusi nukleofilik.
Mekanisme Reaksi SN1
Pada reaksi SN1, reaksi terjadi secara bertahap dengan pembentukan intermediet berupa karbokation (C+). Seperti pada contoh gambar di bawah, atom klor lepas dari molekul tert-butil klorida (dibantu dengan adanya pelarut polar) sehingga terbentuk ion klorin dan sebuah intermediet bermuatan positif yang disebut sebagai karbokation. Proses pembentukan karbokation ini sangat lambat sehingga menjadi penentu dalam laju reaksi SN1. Molekul air yang memiliki PEB bertindak sebagai nukleofil yang kemudian menyerang karbokation dan menghasilkan produk SN1 berupa tert-butil alkohol. Mekanisme reaksi substitusi nukleofilik unimolekuler (SN1) dapat dilihat pada gambar berikut.
Kestabilan Reaksi
Kestabilan relatif dari karbokation yang dihasilkan pada reaksi SN1 bergantung pada jumlah kelompok alkil yang terikat pada karbokation. Semakin banyak jumlah alkil yang terikat, karbokation yang dihasilkan semakin stabil
Hal ini karena adanya efek hiperkonjugasi yang dihasilkan oleh kelompok alkil, yaitu alkil dapat menyumbangkan kerapatan elektronnya sehingga dapat menstabilkan muatan positif pada karbokation. Hal ini (gambar 4) menunjukkan tingkat kestabilan beberapa karbokation. Semakin ke kanan, tingkat kestabilan karbokation semakin menurun.
Kinetika SN1
Pada reaksi dengan mekanisme ini, kecepatan reaksi tidak bergantung pada konsentrasi nukleofilnya. Kecepatan reaksi hanya bergantung pada konsentrasi substratnya. Misalkan, pada reaksi antara tert-butil klorida dan natrium hidroksida dalam campuran air dan aseton, tingkat pembentukan hasil reaksi berupa tert-butil alkohol hanya bergantung pada konsentrasi tertbutil klorida. Menambah konsentrasi tert-butil klorida menjadi dua kali lipatnya akan mempercepat laju reaksinya menjadi dua kali lebih cepat. Akan tetapi, saat konsentrasi ion hidroksida yang dilipatgandakan, tidak dihasilkan efek yang cukup untuk menggandakan laju reaksi yang terjadi. Fenomena ini menggambarkan bahwa ion hidroksida tidak berpartisipasi dalam keadaan transisi yang mengontrol laju reaksi, tetapi hanya molekul tert-butil klorida (substrat) yang terlibat dalam keadaan transisi tersebut. Oleh sebab itu, reaksi ini disebut sebagai reaksi substitusi unimolecular.
Laju = k [RX]
Laju = k [Substrat]
Stereokimia SN1
Stereokimia Reaksi SN1: Terdiri Retensi dan Inversi. Jika kita mulai dengan produk murni enantiomer, reaksi ini cenderung menghasilkan campuran produk di mana stereokimianya sama dengan bahan awal yang disebut retensi atau kebalikannya yang disebut inversi. Seperti yang ditunjukkan pada (Gambar 5), karbokation semacam itu harus bereaksi dengan nukleofil di tingkat yang sama di salah satu dari dua wajahnya. Misalnya, 2-bromooktana yang direaksikan dengan nukleofilik H2O dalam perlarut etanol menghasilkan produk 2-oktanol dengan 66% inversi dan 44% Retensi:
