Kimia Organik Fisik

Konsep-konsep yang diperlukan dalam mempelajari struktur molekul senyawa organik :
1. Keelektronegatifan

Keelektronegatifan adalah kecenderungan suatu atom untuk bermuatan negatif atau untuk menangkap elektron dari atom lain. Besarnya keelektronegatifan dapat diukur dengan menggunakan skala Pauling. Harga skala Pauling berkisar antara 0,7 – 4,0 (http://tatangsma.com/2015/07/pengertian-keelektronegatifan-dan-skala-pauling.html).

Secara umum, keelektronegatifan meningkat dari kiri kekanan dalam satu periode,seiring dengan berkurangnya sifat logam dari unsur-unsur tersebut. Dalam satu golongan, keelektronegatifan berkurang dengan bertambahnya nomor atom, yang menunjukkan semakin bertambahnya sifat logam dari unsur-unsur tersebut. Unsur-unsur yang paling elektronegatif-halogen, oksigen, nitrogen dan belerang, terdapat pada sudut kanan atas tabel periodik, sementara unsur-unsur dengan keelektronegatifan terendah (logam alkali dan alkali tanah) (Chang, R. 2005. Kimia Dasar Konsep-Konsep Inti. Jakarta : Erlangga.267).

Semakin besar keelektronegatifan, unsur cenderung makin mudah membentuk ion negatif. Semakin kecil keelektronegatifan, unsur cenderung makin sulit membentuk ion negatif, dan cenderung semakin mudah membentuk ion positif.

Akan tetapi perlu diingat bahwa golongan VIIIA tidak mempunyai keelektronegatifan. Hal ini karena sudah memiliki 8 elektron di kulit terluar. Jadi keelektronegatifan terbesar berada pada golongan VIIA (Utami, B. A. N. Catur Saputro, L. Mahardiani, dan S. Yamtinah, Bakti Mulyani.2009. Kimia : Untuk SMA/MA Kelas X. Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta, p. 250.)

Tabel 1. Skala Elektronegativitas Unsur-Unsur dalam Tabel Periodik Unsur

Pertimbangkan ikatan antara dua atom, atom P dan atom Q. Jika atom sama-sama elektronegatif, keduanya memiliki kecenderungan yang sama untuk menarik pasangan elektron ikatan, dan sehingga akan ditemukan rata-rata setengah jalan antara dua atom tersebut.

Untuk mendapatkan ikatan seperti ini, atom P dan atom Q biasanya harus menjadi atom yang sama. Anda akan menemukan semacam ikatan ini, misalnya, pada molekul H₂ atau Cl₂ Catatan sangat penting untuk menyadari bahwa ini adalah gambaran rata-rata. Elektron sebenarnya dalam orbital molekul, dan bergerak di sekitar sepanjang waktu dalam itu orbital. Ini semacam ikatan bisa dianggap sebagai ikatan kovalen  di mana elektron dibagi secara merata antara dua atom (http://ilmualam.net/apa-itu-keelektronegatifan.html).

2. Ikatan Hidrogen

Ikatan hidrogen adalah gaya tarik menarik yang lemah antara atom elektronegatif (seperti atom fluor, oksigen, atau nitrogen, dan atom hidrogen) terikat pada atom elektronegatif lain. Ikatan hidrogen bertanggung jawab atas sifat yang dimiliki air dan banyak molekul biologis lainnya

  

Senyawa kovalen polar memiliki molekul dengan muatan negatif parsial pada satu sisi dan muatan positif parsial di sisi lain. Perbedaan polaritas ini terjadi karena senyawa mengandung ikatan polar. Dalam ikatan polar, satu atom menarik elektron bersama lebih kuat dari atom lain. Dalam beberapa molekul polar yang mengandung atom hidrogen, muatan positif parsial atom hidrogen dari satu molekul tertarik dengan muatan negatif parsial dari sebuah atom dari molekul di dekatnya. Gaya tarik-menarik ini yang kemudian disebut ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen adalah ikatan kimia yang relatif lemah, tapi mereka menambah energi yang diperlukan supaya molekul dapat bergerak terpisah dari satu sama lain ketika terjadi perubahan keadaan dari padat ke cair atau dari cair ke gas. Hal ini menjelaskan mengapa senyawa kovalen polar memiliki titik leleh dan titik didih yang relatif tinggi (http://fungsi.web.id/2015/10/pengertian-ikatan-hidrogen.html).

3. Gaya Van Der Waals 

Johannes Diderik van der Waals (23 November 1837 – 8 Maret 1923) ialah ilmuwan Belanda yang terkenal “atas karyanya pada persamaan gas cairan”, sehingga ia memenangkan Penghargaan Nobel dalam Fisika pada 1910. van der Waals adalah yang pertama menyadari perlunya mengingat akan volume molekul dan gaya antarmolekul (kini disebut “gaya van der Waals”) dalam mendirikan hubungan antara tekanan, volume, dan suhu gas dan cairan.

Gaya van der Waals dalam ilmu kimia merujuk pada jenis tertentu gaya antar molekul. Istilah ini pada awalnya merujuk pada semua jenis gaya antar molekul, dan hingga saat ini masih kadang digunakan dalam pengertian tersebut, tetapi saat ini lebih umum merujuk pada gaya-gaya yang timbul dari polarisasi molekul menjadi dipol.

Gaya Van Der Waals terjadi akibat interaksi antara molekul-molekul non polar (Gaya London), antara molekul-molekul polar (Gaya dipole-dipol) atau antara molekul non polar dengan molekul polar (Gaya dipole-dipol terinduksi). Ikatan Van Der Waals terdapat antar molekul zat cair atau padat dan sangat lemah. Gaya Van Der Waals dahulu dipakai untuk menunjukkan semua jenis gaya tarik-menarik antar molekul. Namun kini merujuk pada pada gaya-gaya yang timbul dari polarisasi molekul yang terlemah menjadi dipole seketika. Pada saat tertentu, moleku-molekul dapat berada dalam fase dipole seketika ketika salah satu muatan negative berada di sisi tertentu. Dalam keadaan dipol ini, molekul dapat menarik atau menolak electron lain dan menyebabkan atom lain menjadi dipole. Gaya tarik menarik yang muncul sesaat ini merupakan gaya Van Der Waals (http://kreatifitasbelajar.blogspot.co.id/2013/05/bismut.html).

a. Gaya London

Gaya London ditemukan oleh fisikawan Jerman yang bernama Fritz London pada tahun 1928. Gaya London (gaya dispersi) merupakan gaya tarik- menarik antarmolekul nonpolar akibat adanya dipol terimbasyang ditimbulkan oleh perpindahan elektron dari satu orbital ke orbital yang lain membentuk dipol sesaat. Gaya London mengakibatkan molekul non¬polar bersifat agak polar.

 

Jenis gaya tarik yang sangat lemah ini umumnya terjadi di antara molekul-molekul kovalen nonpolar, seperti N2, H2, atau CH4. Gaya tarik ini dihasilkan oleh menyurut dan mengalirnya orbital-orbital elektron sehingga memberikan pemisahan muatan yang sangat lemah dan sangat singkat di sekitar ikatan. Gaya London meningkat seiring bertambahnya jumlah elektron. Gaya London juga meningkat seiring bertambahnya massa molar zat, sebab molekul yang memiliki massa molar besar cenderung memiliki lebih banyak elektron. Adanya percabangan pada molekul akan menurunkan kekuatan gaya London, sebab adanya percabangan akan memperkecil area kontak antarmolekul. Titik didih senyawa sebanding sekaligus mencerminkan kekuatan gaya London.

b. Gaya Tarik Dipol

Molekul-molekul polar cenderung menyusun diri dengan cara saling mendekati kutub positif dari suatu molekul dengan kutub negatif molekul yang lain. Gaya tarik-menarik ini disebut gaya tarik dipol. Semakin besar momen dipol yang dimiliki suatu senyawa, semakin besar gaya tarik dipol yang dihasilkan. Gaya ini lebih kuat daripada gaya London. Oleh karena itu, molekul yang mengalami gaya tarik dipol memiliki titik didih dan titik leleh yang lebih tinggi daripada molekul yang mengalami gaya London (Mr hampir sama).

 
(http://www.pelajaransekolahonline.com/2016/31/penjelasan-gaya-van-der-waals-dan-ikatan-hydrogen.html) 

 4. Momen Dipol

Momen dipol adalah ketika suatu molekul membentuk pusat muatan negatif dan pusat muatan positif. Molekul yang membentuk pusat muatan negatif dan pusat muatan positif disebut sebagai molekul dipolar, atau molekul yang memiliki momen dipol. Sifat dipolar dari sebuah molekul ini, biasanya digambarkan dengan adanya panah yang menunjukkan ujung negatifnya, kemudian bagian ekor(belakang) panah menggambarkan tanda positif(+). Berikut ini contohnya untuk molekul HF:

(http://www.mystupidtheory.com/2015/05/pengertian-momen-dipole-dan-kepolaran.html)

Momen dipol merupakan suatu besaran vektor yang digambarkan menggunakan moment ikatan. Jika jumlah vektor momen-momen ikatan lebih besar dari nol, maka molekul tersebut bersifat polar, sebaliknya jika jumlah vektor momen-momen ikatan sama dengan nol, maka maka molekul tersebut bersifat nonpolar. Momen ikatan terbentuk jika dua atom yang berikatan dalam suatu senyawa memiliki perbedaan keelektronegatifan. Elektron yang yang ditarik oleh atom yang lebih elektronegatif menunjukan arah momen ikatan dan ditunjukan menggunakan tanda → dari atom yang kurang elektronegatif menuju atom yang lebih elektronegatif.

Akibat tarikan elektron yang terjadi, terbentuk semacam kutub negatif pada atom yang lebih elektronegatif, sedangkan pada atom yang kurang elektronegatif akan terbentuk semacam kutub positif. Kutub positif atau negatif yang terbentuk disebut muatan parsial, yang digambarkan menggunakan simbol delta (δ). Muatan parsial negatif (δ¯) diberikan pada unsur yang lebih elektronegatif dan muatan parsial positif (δ⁺) diberikan pada unsur yang kurang elektronegatif (lebih elektropositif) (https://wanibesak.wordpress.com/tag/momen-dipol/)

 5. Gugus Fungsi
Gugus fungsi adalah gugus atom dalam molekul yang menentukan ciri atau sifat suatu senyawa.  Gugus fungsi ini merupakan atom selain atom karbon dan atom hidrogen dalam senyawa hidrokarbon dan membentuk ikatan rangkap. Adapun bagian-bagian dari molekul yang hanya terdiri dari atom karbon dan hidrogen saja serta hanya mengandung ikatan tunggal saja disebut gugus-gugus non fungsional (http://www.sridianti.com/pengertian-gugus-fungsi.html).

Atom atau kelompok atom yang paling menentukan sifat suatu senyawa dan merupakan ciri khas dari suatu deret homolog kimia karbon disebut gugus fungsi. Jika etana (C2H6) memiliki deret homolog alkana, dan satu atom H-nya digantikan dengan gugus alkohol (—OH) maka menjadi C2H5OH. Maka, akan berdampak pada perubahan sifat senyawa (fisis dan kimia) dari etana ke etanol (C2H5OH). Kesimpulan: gugus fungsi akan membuat sifat dan struktur alkana berubah, tetapi masih dalam satu deret homolog.
di bawah ini adalah daftar dari gugus fungsi senyawa karbon:

GUGUS FUNGSI

1. Gugus fungsi —OH (alkohol atau alkanol)
   Pada pembahasan di atas etana berbeda dengan etanol. Etanol termasuk ke dalam gugus alkohol karena mempunyai gugus fungsi —OH dalam rumus kimianya (C2H5OH). Seperti pada pelajaran sifat koligatif larutan, alkohol mudah menguap jadi sering digunakan untuk parfum.
2. Gugus fungsi —O— (eter atau alkoksialkana)
   Disebut alkosialkana karena penggabungan dari kata: Al , oksi, alkana. Yang artinya (ambil contoh CH3—CH2—O—H3)
   ^^^Al = adalah rantai karbon sebelah kiri eter yaitu CH3—CH2 atau C2H5 (etil)
   ^^^O = eter (—O—)
   ^^^Alkana = adalah alkana yang atom H-nya menjadi gugus alkil yaitu CH3
3. Gugus fungsi —CHO (aldehida atau alkanal)
   Disebut alkanal karena mempunyai gugus mirip dengan alkohol dan asam karboksilat, ada OH dan COOH-nya. Nah, dalam aldehida terdapat dalam formalin dan pengawetan mayat
4. Gugus fungsi —CO— (keton atau alkanon)
   Gugus fungsi ini disebut keton karena mengandung atom karbon dan oksigen berjumlah satu (1). Karbon mewakili hurus Ke, dan oksigen mewaklili huruf ton dalam nama turunan alkana keton. Keton biasanya digunakan untuk pembersih kuku.
5. Gugus fungsi —COOH (asam karboksilat atau asam alkanoat)
   Turunan alkana satu ini berbeda sama sekali karena nantinya dalam tata nama senyawa, hanya asam karboksilat-lah yang menggunakan nama depan asam serta menandakannya dengan huruf yunani alpha, beta, gamma, dan omega. Contohnya CH3COOH dalam asam cuka
6. Gugus fungsi —COOR (ester atau alkil alkanoat)
   Disebut alkil alkanoat karena R mewakili alkil, dan COO mewakili alkanoat dalam gugus fungsinya. Nama ester hampir mirip dengan nama eter, jadi harus hati-hati ya dalam tata namanya nanti
7. Gugus fungsi —X (haloalkana atau alkil halida)
   Turunan alkana satu ini mempunyai nama yang unik yaitu haloalkana, seolah-olah menyapa turunan alkana gitu lho. Ckckck. Gugus X dalam turunan alkana ini adalah atom-atom halogen (golongan VIIA). Alkil halida disebut juga monohaloalkana (https://amaldoft.wordpress.com/2015/10/26/gugus-fungsi-dan-senyawa-turunan-alkana-turunan-alkana/).

 6. Efek Induksi, Resonansi dan Hiperkonjugasi

Ikatan C-C dalam etana adalah nonpolar sempurna karena ikatan tersebutmenghubungkan dua atom yang  ekuivalen. Akan tetapi ikatan C-C dalam kloroetana terpolarisasi oleh adanya atom klor elektronegatif. Polarisasi ini sebenarnya adalah jumlah dari dua efek. Pertama, atom C-1 telah kekurangan sejumlah kerapatan elektronnya oleh elektronegativitas Cl yang lebih besar, diganti secara parsial oleh ikatan C-C yang ada didekatnya mengakibatkan polarisasi ikatan ini dan suatu muatan positif kecil pada atom C-2. Polarisasi satu ikatan yang disebabkan oleh polarisasi ikatan tetangga disebut efek induksi. Efek ini tidak hanya dirasakan oleh ikatan tetangga, namun dapat pula berpengaruh sampai ikatan yang lebih jauh. Efek ini berkurang dengan bertambahnya jarak. Polarisasi ikatan C-C menyebabkan pula sedikit polarisasi tiga ikatan C-H metil.

 

Resonasi dan induksi tidak perlu bekerjanya dalam arah yang sama. Di dalam keadaan dasar (ground state) efek-efek ini bekerja secara permanen dan dapat nyata dalam sejumlah sifat-sifat molekul. Salah hal yang paling ideal yang berhubungan dengan efek induksi adalah kecepatan solvolisis 4-(4-alkilbisiklo[2.2.2]oktan-1-ilbrosilat dalam asam asetat pada 75 derajat C. Kecepatan relatif diberikan sebagai berikut:

 

Ikatan delokal ditemukan dalam senyawa-senyawa tidak jenuh yang mengandung satu atau lebih orbital ikatan yang tidak terbatas pada dua atom, tetapi menyebar sampai kepada tiga atom atau lebih. Ikatan yang demikian disebut ikatan delokal. Dalam metode ikatan valensi, untuk melukiskan struktur yang sebenarnya dari molekul semacam ini, beberapa struktur Lewis (bentuk kanonik) dituliskan, kemudian diambil bobot rata-rata mereka. Bobot rata-rata dari dua bentuk atau lebih disebut resonansi.

 

Hiperkonjugasi. Jenis delokalisasi ketiga adalah yang melibatkan elektron σ, dan disebut hiperkonjugasi. Jika suatu karbon yang mengikat atom hidrogen dan terikat pada atom tak jenuh atau pada satu atom yang mempunyai orbital bukan ikatan maka untuknya dapat dituliskan bentuk kanonik seperti :

 

Di dalam bentuk kanonik seperti itu sama sekali tidak ada ikatan antara karbon dengan hidrogen, dan resonansi seperti itu disebut resonansi tanpa ikatan. Hidrogen tidak pergi (karena resonansi tersebut bukanlah suatu hal yang nyata melainkan hanya bentuk kanonik yang berkontribusi ke struktur molekul nyata). Efek struktur 9 pada molekul nyata adalah elektron dalam C-H lebih dekat ke karbon daripada jika struktur 9 tidak berkontribusi (Firdaus, 2009. Modul Pembelajaran Kimia Organik Fisik 1.  Makassar : UNHAS).

7. Tautomeri

Bagi kebanyakan senyawa, semua molekul mempunyai struktur yang sama, apakah struktur tersebut dapat memuaskan atau tidak dinyatakan dengan struktur Lewis. Tetapi ada juga senyawa lain yang ada dalam satu campuran dari dua atau lebih senyawa yang secara struktural berbeda, dan campuran berada dalam kesetimbangan yang cepat. Jika fenomena ini (disebut tautomeri) ada maka ada pergeseran bolak-balik yang cepat antara molekul-molekul yang kesetimbangan tersebut. Di dalam peristiwa ini ada proton yang berpindah dari satu atom dalam satu molekul ke atom yang lain menjadi molekul lain (Firdaus, 2009. Modul Pembelajaran Kimia Organik Fisik 1.  Makassar : UNHAS).

Tautomer adalah isomer-isomer yang berbeda satu dengan yang lainnya hanya pada posisi ikatan rangkap dan sebuah atom hidrogen berhubungan. Tautomer keto suatu senyawa karbonil mempunyai struktur karbonil seperti diharapkan. Tautomer enol (dari –ena+-ol) yang merupakan suatu alcohol vinilik, terbentuk dengan serah-terima sebuah hidrogen asam dari karbon α ke oksigen karbonil. Karena atom hidrogen berada dalam posisi yang berlainan, kedua bentuk tautometrik ini bukanlah struktur-resonansi, melainkan dua struktur berlainan yang berada dalam kesetimbangan. (harus diingat bahwa struktur-struktur resonansi berbeda hanya dalam posisi elektron).

 

(http://atom-green.blogspot.co.id/2013/10/tautomeri.html).

8. Regangan Ruang

Kestabilan (ketidakreaktifan) sikloalkana pada mulanya dijelaskan dengan “teori regangan Baeyer” (Baeyer’s strain theory). Menurut teori ini, senyawa siklik seperti halnya sikloalkana membentuk cincin datar. Bila sudut-sudut ikatan dalam senyawa siklik menyimpang dari sudut ikatan tetrahedral (109,5⁰) maka molekulnya mengalami regangan. Makin besar penyimpangannya terhadap sudut ikatan tetrahedral, molekulnya makin regang, dan berakibat molekul tersebut makin reaktif.
Jika ditinjau dari segi regangan cincinnya, yang dihitung berdasarkan harga kalor pembakaran, terbukti bahwa harga regangan total cincin yang terbesar adalah pada siklopropana, disusul dengan siklobutana, dan siklopentana. Pada sikloheksana harganya = 0, yang sama dengan harga senyawa rantai terbuka. Besarnya harga regangan pada siklopropana tersebut disebabkan oleh adanya regangan sudut dan regangan sterik. Makin besar penyimpangannya dari sudut tetrahedral, makin besar pula regangan sudutnya.
Dalam usaha mengurangi regangan agar diperoleh kestabilan, molekul sikloalkana mengalami konformasi. Pada siklopentana konformasinya mengakibatkan keempat atom karbonnya berada dalam satu bidang dan atom karbon kelima membentuk ikatan bengkok. Pada sikloheksana konformasinya mengakibatkan semua ikatan C-C-C mempunyai sudut 109,5⁰. Salah satu dari konformasi pada sikloheksana dinamakan konformasi kursi, yang ditandai oleh adanya dua macam orientasi ikatan C-H, yaitu enam buah ikatan C-H aksial dan enam buah ikatan C-H ekuatorial. Dikenal pula adanya konformasi perahu pada sikloheksana, yang kestabilannya lebih rendah daripada konformasi kursi. Jika satu atom H pada sikloheksana diganti oleh gugus –CH₃ atau gugus lain, maka gugus –CH₃/ gugus lain tersebut dapat berposisi aksial/ ekuatorial. Dalam hal ini konformasi yang lebih stabil adalah konformasi dengan gugus –CH₃ berposisi ekuatorial.
Bila sikloalkana mengikat substituen pada dua atau lebih atom karbon, maka terjadi isomer cis-trans. Salah satu contohnya adalah pada 1,2-dimetilsiklopentana. Dalam penggambaran strukturnya, cincin siklopentana digambarkan sebagai segilima datar, dengan ketentuan bila kedua substituennya terletak pada sisi yang sama dari bidang cincin dinamakan isomer cis, sedangkan bila berseberangan dengan bidang cincin dinamakan isomer trans. Pada sikloheksana juga dijumpai isomer-isomer cis-tans, yang bila digambarkan dengan konformasi kursi, yang masing-masing substituen dapat berposisi aksial atau ekuatorial. Sifat-sifat fisika dan kimia sikloalkana hampir sama dengan alkana, yaitu nonpolar, titik didih dan titik leburnya sebanding dengan berat molekulnya, dan inert (lambat bereaksi dengan senyawa lain). Reaksi sikloalkana dengan oksigen dapat menghasilkan CO₂ dan H₂O, sedangkan dengan halogen terhadi reaksi substitusi atom H oleh atom halogen. Khusus untuk siklopropana dan siklobutana, dengan kondisi reaksi khusus, dapat mengalami pemutusan cincin (https://isepmalik.wordpress.com/2012/04/21/sikloalkana/).