Substitusi Nukleofilik Ganda dalam Reaksi Antara Halogenalkana dan Amonia

Halaman ini menjelaskan substitusi lebih lanjut dalam reaksi substitusi nukleofilik antara halogenalkana dan amonia setelah pembentukan amina primer. Anda juga bisa menganggap pembahasan ini sebagai penjelasan bagaimana amina primer, sekunder dan tersier bereaksi sebagai nukleofil pada sebuah rentetan reaksi dengan halogenalkana.

Mengapa terjadi substitusi berganda?

Substitusi pertama

Pasangan elektron bebas pada atom nitrogen dalam sebuah molekul amonia tertarik ke arah atom karbon + dalam halogenalkana – dalam contoh ini, bromoetana. Pasangan elektron bebas dalam nitrogen ini membentuk ikatan dengan halogenalkana – dalam proses ini melepaskan bromin sebagai sebuah ion bromida.

Sebuah garam terbentuk yakni etilamonium bromida.
Selanjutnya ada kemungkinan molekul amonia lain melepaskan sebuah hidrogen dari ion positif menghasilkan sebuah amina primer – etilamin. Sebuah amina primer memiliki rumus umum RNH₂. Reaksi ini dapat balik (reversibel), dan amonia bebas dalam jumlah banyak hanya diperoleh jika digunakan amonia yang sangat berlebih.

Produk reaksi sebagai sebuah nukleofil

Pada akhir substitusi pertama ini akan terbentuk beberapa amina primer bebas – yakni CH₃CH₂NH₂ pada contoh di atas. Kuantitasnya mungkin tidak begitu banyak, tetapi akan ada beberapa. Jika jumlah yang sedikit ini bereaksi dengan sesuatu yang lain, maka reaksi balik tidak bisa terjadi lagi. Amina bebas akan terus terbentuk, dan reaksi yang awalnya dapat balik (reversibel) sekarang menjadi reaksi satu-arah – sehingga amina bebas terlepas oleh beberapa reaksi lain segera setelah terbentuk.
Sekarang bandingkan struktur amonia dengan etilamin:

Anda bisa menganggap amina primer sebagai molekul amonia yang sedikit dimodifikasi. Dia memiliki sepasang elektron bebas pada atom nitrogennya dan bahkan muatan - yang lebih besar dibanding pada amonia.
Ini berarti bahwa amina prmer akan menjadi nukleofil yang lebih baik dibanding amonia. Dengan demikian dia bereaksi dengan sebuah molekul dari halogenalkana.

Pembentukan amina sekunder dari sebuah amina primer

Pengertian amina sekunder

Amina sekunder memiliki rumus umum R₂NH. Dia mirip dengan sebuah molekul amonia (NH₃) dimana dua atom hidrogen telah digantikan oleh gugus-gugus alkil.

Mekanisme

Pasangan elektron bebas pada atom nitrogen dalam amina primer menyerang atom karbon + persis sama seperti serangan amonia. Bromin dilepaskan sebagai sebuah ion bromida, dan produk yang terbentuk adalah garam yang disebut dietilamonium bromida – (CH₃CH₂)₂NH₂⁺ Br^-. Secara esensial garam ini adalah amonium bromida dimana dua atom hidrogen yang terikat pada nitrogen telah digantikan oleh gugus etil.
Ini selanjutnya bereaksi dengan amonia dengan reaksi yang dapat balik (reversibel), persis sama dengan yang telah dijelaskan di atas:

Produk organik yang terbentuk adalah sebuah amina sekunder, yakni dietilamin. Termasuk amina sekunder karena ada dua gugus alkil yang terikat pada atom nitrogen.

Pembentukan amina tersier dari amina sekunder

Pengertian amina tersier

Sebuah amina tersier memiliki rumus umum R₃N. Strukturnya mirip dengan molekul amonia dimana ketiga hidrogen telah digantikan oleh gugus-gugus alkil.

Mekanisme

Amina tersier masih memiliki sebuah pasangan elektron bebas aktif pada atom nitrogennya. Sehingga bisa menyerang bromoetana jika bertubrukan dengannya. Urutan dua tahapannya sama persis seperti sebelumnya:

Pada tahap pertama ini, bromin lagi-lagi dilepaskan sebagai sebuah ion bromida dan terbentuk garam yang disebut trietilamonium bromida.
Sebuah molekul amonia selanjutnya bisa melepaskan hidrogen dari nitrogen melalui reaksi yang dapat balik (reversibel):

Produk organik dari reaksi ini adalah amina tersier, yaitu trietilamin. Disebut tersier karena ada tiga gugus alkil yang terikat pada nitrogen.

Tahap akhir – pembentukan garam amonium kuartener

Pengertian garam kuartener

Garam amonium kuartener adalah sebuah garam amonium (misalnya,NH₄⁺ Br^-) dimana semua atom hidrogen telah digantikan oleh sebuah gugus alkil – misalnya, (CH₃CH₂)₄N⁺ Br^-.

Mekanisme

Amina tersier masih memiliki sepasag elektron bebas aktif pada atom nitrogen dan, sekali lagi, dapat menyerang atom karbon + dalam bromoetana.

Tapi kali ini tidak ada lagi jalan bagi reaksi. Tidak ada lagi atom hidrogen pada nitrogen sehingga sebuah molekul amonia bisa terlepas, dan reaksi akhirnya terhenti.
Produknya adalah sebuah garam yang disebut tetraetilamonium bromida, (CH₃CH₂)₄N⁺ Br^-.

Jika anda mereaksikan bromoetana dengan amonia, produk apa yang akan anda peroleh?

Selalunya diperoleh sebuah campuran antara semua produk di atas selama anda tidak menggunakan bromoetana yang berlebih sehingga terdapat cukup banyak bromoetana untuk melakukan rentetan semua reaksi sampai terbentuk garam amonium kuartener.
Anda bisa mendorong pembentukan amina primer (atau garamnya) dengan menggunakan amonia yang berlebih. Karena dengan cara ini terdapat peluang yang lebih besar bagi sebuah molekul bromoetana untuk ditubruk oleh sebuah molekul amonia ketimbang nukleofil lain yang mungkin. Meski demikian, akan selalu ada, secara kebetulan, beberapa tubrukan yang menyebabkan terbentuknya produk selain amina primer.