Penjelasan Reaksi Substitusi Nukleofilik Antara Halogenalkana dengan Air

Halaman ini akan memberikan panduan tentang mekanisme-mekanisme substitusi nukleofilik untuk reaksi antara halogenalkana dengan air. Disini hanya dibahas halogenalkana primer dan tersier.

Reaksi antara halogenalkana primer dengan air – mekanisme S_N2

Air sebagai sebuah nukleofil

Nukleofil adalah sebuah spesies (ion atau molekul) yang tertarik kuat ke sebuah daerah yang bermuatan positif pada sesuatu yang lain.
Nukleofil bisa berupa ion negatif penuh, atau lainnya yang memiliki muatan - kuat di suatu tempat pada sebuah molekul.
Air jelas tidak membawa muatan negatif. Akan tetapi, oksigen dalam molekul air jauh lebih elektronegatif dibanding hidrogen, sehingga atom oksigen memiliki muatan - yang cukup besar untuk mem-backup kedua pasangan elektron bebasnya.
Dengan demikian, serangan terhadap halogenalkana dilakukan oleh salah satu dari pasangan elektron bebas pada oksigen tersebut. Karena tidak ada sebuah muatan negatif penuh, air tidak bisa menjadi nukleofil yang sama baiknya dengan sebuah ion negatif seperti OH^-, dan karenanya reaksi berlangsung lebih lambat.

Reaksi substitusi nukleofilik – reaksi S_N2

Kita akan membahas reaksi ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana primer, yaitu bromoetana sebagai halogenalkana primer sederhana. Bromoetana memiliki sebuah ikatan polar antara atom karbon dan bromin.

Salah satu pasangan elektron bebas pada air akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan bergerak kearahnya, mulai membentuk sebuah ikatan dengannya. Ion negatif yang mendekat akan mendorong elektron-elektron dalam ikatan karbon-bromin semakin dekat ke bromin.
Pergerakan pasangan elektron bebas ini terus berlanjut sampai air terikat kuat ke atom karbon, dan bromin telah dilepaskan sebagai ion Br^-.
Perhatikan bahwa oksigen dalam ion produk membawa sebuah muatan positif (ditunjukkan dengan warna merah). Muatan ini harus ada karena dua alasan:

• Pada sebelah kiri persamaan reaksi, kita memulai dengan dua molekul yang netral. Jika kita meniadakan muatan positif tersebut, maka akan diperoleh sebuah spesies netral dan sebuah ion negatif pada sebelah kanan reaksi. Sedangkan muatan harus seimbang dalam persamaan reaksi, olehnya itu ada sesuatu yang salah.
• Oksigen terlihat ganjil karena terikat pada 3 spesies yang seharusnya 2 spesies. Oksigen hanya bisa terikat dengan 3 spesies lain jika dia membawa sebuah muatan positif.

Secara teknis, reaksi ini disebut sebagai reaksi S_N2. S adalah singkatan dari substitusi, N singkatan untuk nukleofilik, dan dituliskan 2 karena tahap awal dari reaksi ini melibatkan dua spesies – yaitu bromoetana dan ion hidroksida. Dalam beberapa silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik.
Terakhir, sebuah ion hidrogen diambil dari ion produk oleh molekul air yang lain dari larutan. Sebuah pasangan elektron tunggal pada molekul air yang baru membentuk sebuah ikatan dengan atom hidrogen, sehingga memaksa pasangan elektron ikatan kembali ke atom oksigen positif. Ini menghilangkan muatan positif yang ada pada oksigen.

Produk organik yang terbentuk adalah etanol. Rumus strukturnya dimodifikasi pada gambar di atas sehingga anda bisa melihat dengan jelas hubungan antara atom-atom pada kedua sisi persamaan reaksi.
Produk lain yang juga terbentuk adalah ion hidroksonium (yang juga dikenal sebagai ion hidronium atau ion oksonium). Ini tidak lain sebuah ion hidrogen yang terikat pada sebuah molekul air – seringkali dituliskan sebagai H⁺_(aq).

Reaksi antara halogenalkana tersier dengan air – mekanisme S_N1

Kita akan membahas mekanisme ini dengan mengambil contoh sebuah halogenalkana tersier sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar di samping (2-bromo-2-metilpropana).

Mengapa halogenalkana tersier memerlukan mekanisme yang berbeda?

Ketika sebuah nukleofil menyerang sebuah halogenalkana primer, nukleofil ini mendekati atom karbon + dari sisi yang jauh dari atom halogen. Nukleofil ini tidak mendekati atom karbon dari sisi yang dekat dengan atom halogen karena halogen berukuran besar dan sedikit bermuatan negatif. Muatan pada halogen ini menolak nukleofil yang mendekat.
Jika nukleofil menyerang sebuah halogen tersier, masuknya nukleofil lewat belakang molekul tidak akan mungkin karena belakang molekul telah terisi oleh gugus-gugus CH₃ – itulah sebabnya halogenalkana tersier memerlukan mekanisme yang berbeda.

Mekanisme S_N1

Pada tahap pertama, beberapa halogenalkana terionisasi menghasilkan sebuah ion karbonium dan sebuah ion bromida.

Reaksi ini mungkin karena ion karbonium tersier relatif stabil dibandingkan dengan yang sekunder atau primer. Bahkan demikian, reaksi tetap lambat.
Akan tetapi, ketika ion karbonium terbentuk, dia akan bereaksi segera ketika bersentuhan dengan molekul air. Salah satu pasangan elektron bebas pada air tertarik kuat ke arah atom karbon positif, dan bergerak kerahnya untuk membentuk sebuah ikatan baru.

Kecepatan reaksi akan ditentukan oleh seberapa cepat halogenalkana terionisasi. Karena tahapan awal yang lambat ini hanya melibatkan satu spesies, maka mekanisme ini disebut sebagai S_N1 – substitusi, nukleofilik, dan satu spesies yang terlibat dalam tahap awal yang lambat.
Air turut ambil bagian pada tehapan cepat dari reaksi, dan karena air adalah sebuah nukleofil lemah maka tidak berpengaruh signifikan untuk memperlambat reaksi secara keseluruhan. Laju reaksi ditentukan oleh ionisasi halogenalkana yang lambat.
Seperti halnya dengan halogenalkana primer, terdapat sebuah tahapan akhir pada reaksi ini dimana sebuah ion hidrogen ditransfer dari ion organik ke sebuah molekul air dalam larutan. Apa yag terjadi persis sama seperti yang terjadi pada halogenalkana primer yang dijelaskan di atas.