Penjelasan Reaksi Substitusi Nukleofilik Antara Halogenalkana dan Amonia

Halaman ini akan memberikan panduan tentang mekanisme-mekanisme substitusi nukleofilik untuk reaksi antara halogenalkana dengan amonia untuk menghasilkan amina-amina primer.

Reaksi antara halogenalkana primer dengan amonia – mekanisme S_N2

Amonia 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.
Amonia jelas tidak membawa muatan negatif. Akan tetapi, nitrogen dalam amonia lebih elektronegatif dibanding hidrogen, sehingga atom nitrogen memiliki muatan negatif. Nitrogen juga memiliki sepasang elektron bebas aktif. Serangan terhadap atom karbon + dalam halogenalkana dilakukan oleh pasangan elektron bebas ini yang ada pada atom nitrogen.

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.
Pasangan elektron bebas pada nitrogen akan tertarik kuat ke atom karbon +, dan akan bergerak ke arahnya, mulai membentuk sebuah ikatan dengannya. Pasangan elektron bebas 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 nitrogen 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.
• Nitrogen terlihat ganjil karena terikat pada 4 spesies yang seharusnya 3 spesies. Nitrogen hanya bisa terikat dengan 4 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 amonia. Dalam beberapa silabus, reaksi ini biasa hanya disebut substitusi nukleofilik.
Produk reaksi ini adalah sebuah garam yang disebut etilamonium bromida.
Etilamonium bromida adalah sebuah garam dari amina primer dan asam, HBr. Amona primer memiliki rumus molekul R-NH₂. Dalam hal ini disebut primer karena hanya satu gugus alkil yang terikat pada atom nitrogen. Amina-amina primer adalah basa-basa lemah yang sangat mirip dengan amonia sehingga dapat membentuk garam dengan asam. Sebagai contoh, amonia bereaksi dengan HBr menghasilkan amonium bromida, NH₄⁺ Br^-. Garam pada persamaan di atas merupakan garam yang terbentuk dari etilamin, CH₃CH₂NH₂, dan HBr.
Sampai disini anda perlu mengetahui apa yang diminta dalam soal, apakah cukup sampai pada produk ini atau anda diminta melanjutkan reaksi satu tahapan lagi untuk membentuk amina primer bebas.
Jika diinginkan tahapan kedua, sekarang sebuah molekul amonia melepaskan satu ion hidrogen dari nitrogen.

Produk organiknya adalah etilamin, CH₃CH₂NH₂.
Perlu diperhatikan bahwa perubahan ini dapat balik (reversibel). Tanda panah untuk menujukkan perubahan terbalik belum ditunjukkan pada gambar di atas untuk menghindari kerancuan, tetapi anda bisa menggambarkan pasangan elektron bebas dengan mudah pada nitrogen dengan memperoleh kembali hidrogennya dari ion NH₄⁺. Yang akan dihasilkan adalah sebuah campuran antara keempat spesies pada persamaan terakhir ini – tentunya bersama dengan ion-ion bromida yang terbentuk pada tahap pertama. Semakin tinggi jumlah amonia dalam campuran awal reaksi, semakin besar peluang terbentuknya etilamin bebas.

Reaksi antara halogenalkana tersier dengan amonia – 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 amonia. Pasangan elektron bebas pada nitrogen 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.
Sebuah garam terbentuk, dan anda lagi-lagi perlu mengetahui apakah soal menginginkan anda melanjutkan reaksi sampai pembentukan amina bebas. Jika demikian, salah astu hidrogen yang terikat pada nitrogen perlu dilepaskan oleh molekul amonia yang lain.