GUGUS PERGI DAN PENGARUH GUGUS TETANGGA (Bagian II)

GUGUS PERGI DAN PENGARUH GUGUS TETANGGA

            Dari artikel sebelumnya saya membahas mengenai apa itu gugus pergi dan bagaimana pengaruh gugus tetangga, nah pada artikel kali ini saya akan membahas mekanisme partisipasi gugus tetangga pada suatu reaksi dan efek gugus pergi pada reaksi eliminasi.

1.    Mekanisme Partisipasi Gugus Tetangga

Kadang ditemukan pada substrat tertentu yang (1) kecepatan reaksinya lebih besar daripada yang diharapkan, dan (2) konfigurasi pada atom kiralnya dipertahankan, bukan inversi atau rasemisasi. Hal ini biasa terjadi jika terdapat gugus-β yang mempunyai pasangan elektron tak-dipersahamkan (pasangan elektron bebas). Mekanisme yang bekerja dalam hal demikian disebut mekanisme partispasi gugus tetangga, terdiri atas dua substitusi SN2 yang masing-masing menyebabkan inversi sehingga hasilnya adalah penahanan konfigurasi. Tahap pertama reaksi ini adalah gugus tetangga bertindak sebagai nukleofil yang memaksa gugus-pergi untuk keluar, tapi tetangga tersebut masih tetap bertahan terikat pada atom karbon di mana gugus-pergi terikat sebelumnya. Di dalam tahap kedua, nukleofil eksternal mengusir gugus tetangga melalui serangan dari arah belakang.

Kecepatan reaksi yang teramati adalah lebih cepat daripada jika Y menyerang secara langsung. Hal ini karena jika reaksi di mana Y menyerang secara langsung adalah reaksi yang lebih cepat maka reaksi itulah yang seharusnya terjadi, namun fakta yang diperoleh tidak mendukung untuk terjadinya reaksi tersebut. Hukum kecepatan reaksi dalam mekanisme partisipasi gugus-tetangga adalah order satu, Y tidak mengambil bagian dalam tahap penentu kecepatan reaksi.

Fakta penting yang pertama untuk keberadaan mekanisme ini adalah diperlihatkannya pertahanan konfigurasi yang terjadi jika substratnya sesuai. Telah diperlihatkan bahwa pasangan treo DL-3-bromo-2-butanol ketika diolah dengan HBr menghasilkan DL-2,3-dibromobutana, sedangkan pasangan eritro-nya menghasilkan isomer meso.

Hal tersebut di atas menunjukkan bahwa terjadi pertahanan konfigurasi. Kadang terjadi serangan Y pada karbon yang bukan mengikat X, melainkan pada karbon di mana mulanya Z terikat.

2.  Efek Gugus Pergi Pada Reaksi Eliminasi

1. Efek pada reaktivitas. Gugus-pergi di dalam reaksi eliminasi adalah serupa dengan gugus-pergi di dalam substitusi nukleofilik. Eliminasi E2 telah dilakukan dengan gugus-gugus seperti berikut: NR₃⁺, PR₃⁺, SR₂⁺, OHR⁺, SO₂R, OSO₂R, OCOR, OOH, OOR, NO₂, F, Cl, Br, I, dan CN. Eliminasi E1 telah dilaksanakan dengan NR₃⁺, SR₂⁺, OH₂⁺, OHR⁺, OSO₂R, OCOR, Cl, Br, I, dan N₂⁺.. Akan tetapi, hanya gugus-pergi yang penting untuk maksud sintesis adalah OH₂⁺ selalu dengan E1) dan Cl, Br, I dan NR₃⁺ (biasanya dengan E2).
2. Efek pada E1 lawan E2 lawan E1cB. Gugus-pergi yang lebih baik akan menggeser mekanisme ke E1 karena membuat lebih mudah terionisasi. Gugus pergi yang lemah dan gugus-pergi bermuatan positif menggeser mekanisme ke arah E1cB karena efek medan gugus penarik elektron kuat meningkatkan keasaman hidrogen-β.
3. Efek pada eliminasi lawan substitusi. Untuk reaksi orde satu, gugus-pergi tidak melakukan sesuatu dalam kompetisi antara eliminasi dengan substitusi karena gugus tersebut telah pergi sebelum pengambilan keputusan reaksi mana yang dipilih. Di dalam reaksi orde dua, rasio eliminasi/substitusi tidak begitu tergantung pada gugus-pergi halida, meski ada sedikit peningkatan eliminasi dalam urutan I > Br > Cl. Jika gugus-pergi adalah OTs, biasanya lebih banyak terjadi substitusi. Sebagai contoh, n-C₁₈H₃₇Br diolah dengan t-BuOK menghasilkan 85% eliminasi, sedangkan n-C₁₈H₃₇OTs di bawah kondisi yang sama menghasilkan 99% substitusi. 

 
 
 

Permasalahan :

1. mengapa serangan Z lebih cepat dari pada serangan Y ?

2. bagaimana efek gugus pergi pada E1 lawan E2 lawan E1cB ?

3. mengapa untuk reaksi orde 1, gugus pergi tidak melakukan sesuatu dalam kompetisi antara eliminasi dan substitusi ?

GUGUS PERGI DAN PENGARUH GUGUS TETANGGA (bagian 1)

gugus pergi adalah suatu fragmen molekul yang lepas dengan suatu  pasangan elektron dalam pembelahan ikatan kimia secara heterolitik. Gugus pergi dapat berupa suatu anion atau molekul netral, tetapi dalam kedua kasus tersebut yang terpenting adalah bahwa gugus pergi dapat menstabilkan kerapatan elektron tambahan yang dihasilkan dari heterolisis ikatan.

Gugus pergi anionik yang umum adalah halida seperti Cl⁻, Br⁻, dan I⁻, serta ester sulfonat seperti tosilat (TsO⁻). Fluorida (F⁻) berfungsi sebagai gugus pergi dalam agen saraf gas sarin. Gugus pergi yang merupakan molekul netral yang umum adalah air dan amonia.

Akan sangat membantu untuk mempertimbangkan konsep kemampuan gugus pergi dalam hal tahap pertama dari reaksi S_N1/E1 dengan suatu gugus pergi anionik (ionisasi), sambil mengingat bahwa konsep ini dapat digeneralisasi untuk semua reaksi yang melibatkan gugus pergi. Karena gugus pergi memikul muatan negatif yang lebih besar pada keadaan transisi (dan produk) daripada dalam bahan pemula, gugus pergi yang baik harus mampu menstabilkan muatan negatif ini, yaitu dalam bentuk anion yang stabil. Ukuran kestabilan anion yang baik adalah melalui pK_a pada asam konjugat anion, dan kemampuan gugus pergi memang umumnya mengikuti tren ini, dengan pK_aH yang rendah dikaitkan dengan kemampuan gugus pergi yang lebih baik.

Dalam reaksi ionisasi, seperti pada semua reaksi yang melibatkan lepasnya gugus pergi, gugus pergi memikul muatan negatif yang lebih besar dalam keadaan transisi dan produk daripada yang dilakukannya pada bahan pemula

Kemampuan gugus pergi menunjukkan perbedaan energi antara bahan pemula dan keadaan transisi (ΔG^‡), dan perbedaan dalam kemampuan gugus pergi tercermin dalam perubahan kuantitas ini (ΔΔG^‡). Kuantitas pK_aH, namun, menunjukkan perbedaan energi antara bahan pemula dan produk (ΔG) dengan perbedaan keasaman tercermin dalam perubahan kuantitas ini (ΔΔG). Juga, bahan pemula dalam kasus ini berbeda. Dalam kasus pK_a, "gugus pergi" terikat dengan proton dalam bahan pemula, sedangkan dalam kasus kemampuan gugus pergi, gugus pergi terikat dengan (biasanya) karbon. Hal ini dengan peringatan yang penting diketahui bahwa seseorang harus mempertimbangkan pK_aH agar mencerminkan kemampuan gugus pergi, namun bagaimanapun setiap tren cenderung berkorelasi dengan baik dengan satu sama lain.

Merupakan hal yang sangat jarang bagi gugus seperti H⁻ (hidrida) dan R₃C⁻ (alkil anion, R=alkil atau H) untuk lepas dengan sepasang elektron karena basanya yang tidak stabil. Perbedaan kontekstual pada kemampuan gugus pergi dalam bentuk paling murni, yaitu ketika gugus yang sebenarnya yang akan pergi tidak terpengaruh oleh kondisi reaksi (oleh protonasi atau kompleksasi asam Lewis) dan lepasnya gugus pergi terjadi pada tahap penentu laju reaksi. Dalam situasi di mana variabel lainnya tetap konstan (sifat elektrofil alkil, pelarut, dll), perubahan nukleofil dapat menyebabkan perubahan dalam urutan reaktivitas pada gugus pergi. Dalam kasus di bawah ini, tosilat adalah gugus pergi yang terbaik ketika etoksida merupakan nukleofil, namun iodida dan bahkan bromida menjadi gugus pergi yang lebih baik dalam kasus nukleofil tiolat

Gugus tetangga

Pada reaksi substitusi nukleofilik, partisipasi gugus tetangga didefinisikan sebagai gugus yang memberikan suatu reaksi intermediate yang baru pada pusat reaksi. Untuk reaksi substitusi seperti dibawah, X sebagai gugus tetangga berperan dalam penyerangan nukleofilik intramolekul sehingga melepaskan Y sebagai gugus pergi, yang kemudian diikuti oleh substitusi intermolekul.

Hasil dari partisipasi ini ialah pembentukan produk substitusi dengan konfigurasi yang berlawanan dengan konfigurasi yang seharusnya terjadi pada SN2, dimana reaksi SN2 pada umumnya membentuk konfigurasi yang berlawanan dengan substrat. Dengan adanya partisipasi gugus tetangga, konfigurasi produk sama dengan substrat. Partisipasi gugus tetangga ini juga dapat mempengaruhi kecepatan reaksi. Jika suatu gugus tetangga mempengaruhi reaksi melalui suatu jalan yang menyebabkan peningkatan kecepatan reaksi, maka gugus tetangga tersebut dikatakan sebagai “anchimeric assistance”. Peningkatan kecepatan reaksi dengan adanya partisipasi gugus tetangga diketahui dengan membandingkan laju reaksi suatu senyawa yang memiliki gugus tetangga dengan reaksi yang sama pada senyawa analog yang tidak memiliki gugus tetangga.

Gugus tetangga dapat menggunakan pasangan elektronnya untuk berinteraksi dengan sisi belakang atom karbon yang menjalani substitusi, sehingga mencegah serangan dari nukleofilik, sehingga nukleofilik hanya dapat bereaksi dengan atom karbon dari sisi depan, dan produknya mengikuti konfigurasi awal.  Atom atau gugus yang dapat meningkatkan laju SN2 melalui partisipasi gugus tetangga ialah nitrogen dalam bentuk amina, oksigen dalam bentuk karboksilat dan ion alkoksida, dan cincin aromatik. Partisipasi hanya efektif jika interaksinya membentuk cincin segitiga, lima dan enam.

Permasalahan :

1.     untuk mempertimbangkan konsep kemampuan gugus pergi dalam hal tahap pertama dari reaksi S_N1/E1 dengan suatu gugus pergi anionik (ionisasi), mengingat bahwa konsep ini dapat digeneralisasi untuk semua reaksi yang melibatkan gugus pergi, mengapa demikian ?

2.     mengapa hidrida dan alkil anion tidak dapat lepas dengan sepasang elektron ?

3.     bagaimana dapat mengetahui peningkatan kecepatan reaksi dengan adanya partisipasi gugus tetangga ?