Reaksi SN2

Reaksi S_N2 adalah suatu jenis mekanisme reaksi substitusi nukleofilik dalam kimia organik. Dalam mekanisme ini, salah satu ikatan terputus dan satu ikatan lainnya terbentuk secara bersamaan, dengan kata lain, dalam satu tahapan reaksi. Karena dua spesi yang bereaksi terlibat dalam suatu tahapan yang lambat (tahap penentu laju reaksi), hal ini mengarah pada nama substitusi nukleofilik (bi-molekular) atau S_N2, jenis mekanisme utama lainnya adalah S_N1.^[1]^[2]

Jenis reaksi ini sangat umum dan karenanya memiliki bermacam-macam nama, seperti "substitusi nukleofilik bimolekular", atau, di antara kimiawan organik, "substitusi asosiatif" atau "mekanisme pertukaran".

Mekanisme reaksi

Reaksi S_N2 sering kali terjadi pada pusat karbon sp³ alifatik dengan suatu gugus pergi yang bersifat stabil dan elektronegatif, menempel padanya (terkadang ditulis X), yang biasanya adalah suatu atom halida. Pemutusan ikatan C–X dan pembentukan ikatan baru (terkadang ditulis C–Y atau C–Nu) terjadi secara simultan melalui suatu keadaan transisi di mana suatu karbon yang menjadi target serangan nukleofilik adalah pentakoordinat, dan kira-kira terhibridisasi sp².

Substitusi nukleofilik pada karbon
Mekanisme S_N2

Mekanisme S_N2

Penyerangan nukleofil pada karbon berlangsung 180° terhadap gugus pergi, karena hal tersebut menyediakan tumpang-tindih terbaik antara pasangan elektron sunyi pada nukleofil dan orbital anti-ikatan C–X σ*. Gugus pergi kemudian mendorong pada sisi berlawanan dan produk terbentuk melalui inversi pada geometri tetrahedral pada atom pusat.

Jika substrat yang menjadi target serangan nukleofilik besifat kiral, reaksi ini terkadang mengarah pada konfigurasi (stereokimia), yang disebut sebagai inversi Walden.^[3]

Sebagai contoh reaksi S_N2, penyerangan Br⁻ (nukleofil) pada suatu etil klorida (elektrofil) menghasilkan etil bromida, dengan klorida lepas sebagai gugus pergi:

Penyerangan pada S_N2 dapat terjadi jika rute sisi belakang penyerangan tidak terdapat halangan sterik oleh substituen atau substrat. Karenanya, mekanisme ini biasanya terjadi pada suatu pusat karbon primer yang tak terhalang. Jika terdapat halangan sterik pada substrat dekat gugus pergi, seperti pada pusat karbon tersier, substitusi yang terjadi lebih disukai mengikuti mekanisme S_N1 dibandingkan S_N2, (S_N1 dapat pula disukai bila zat antara karbokation yang stabil dapat terbentuk).^[2]^[4]

Kinetika reaksi

Laju reaksi S_N2 mengikuti kinetika reaksi orde kedua, karena tahap penentu laju reaksi bergantung pada konsentrasi nukleofil, [Nu⁻] serta konsentrasi substrat, [RX].

r = k[RX][Nu⁻]

Hal ini merupakan perbedaan utama antara mekanisme S_N1 dan S_N2. Dalam reaksi S_N1 penyerangan nukleofil setelah tahap penentu laju langsung selesai, sementara dalam S_N2 nukleofil memaksa gugus pergi untuk lepas dalam tahap penentu laju. Dengan kata lain, laju reaksi S_N1 hanya bergantung pada konsentrasi substrat sementara laju reaksi S_N2 bergantung pada konsentrasi substrat dan nukleofil.

Dalam kasus di mana kedua mekanisme memungkinkan untuk terjadi (misalnya pada suatu pusat karbon sekunder), mekanisme bergantung pada pelarut, suhu, konsentrasi nukleofil atau pada gugus pergi.

Kompetisi E2

Suatu reaksi samping yang umum terjadi di lokasi yang sama dengan reaksi S_N2 adalah eliminasi E2: anion yang datang dapat berperan sebagai basa daripada suatu nukleofil, menarik proton dan mengarah pada pembentukan alkena. Reaksi E2 umum terjadi ketika ion yang datang memiliki halangan sterik sehingga penarikan proton menjadi lebih mudah. Reaksi eliminasi biasanya lebih disukai pada suhu yang meningkat^[5] karena bertambahnya entropi. Efek ini dapat ditunjukkan dalam reaksi fasa gas antara sulfonat dan suatu alkil bromida sederhana yang terjadi di dalam spektrometer massa:^[6]^[7]

Eksperimen kompetisi antara S_N2 dan E2

Dengan etil bromida, produk reaksi substitusi lebih mendominasi. Karena halangan sterik di sekitar pusat elektrofilik bertambah, seperti halnya isobutil bromida, substitusi lebih tidak disukai dan eliminasi merupakan produk yang mendominasi. Faktor lain yang membuat eliminasi lebih disukai adalah kekuatan basa. Dengan substrat benzoat yang kurang basa, isopropil bromida bereaksi dengan 55% substitusi.

Lihat pula

Referensi

^ L. G. Wade, Jr., Organic Chemistry, 6th ed., Pearson/Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, USA, 2005.
^ ^a ^b March, Jerry (1985). Advanced Organic Chemistry, Reactions, Mechanisms and Structure (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-3). John Wiley & Sons. ISBN 0-471-85472-7.
^ The Walden cycle revisited: a computational study of competitive ring closure to α- and β-lactones J. Grant Buchanan, Richard A. Diggle, Giuseppe D. Ruggiero and Ian H. Williams Chemical Communications, 2006, 1106 - 1108 doi:10.1039/b517461a.
^ Imyanitov, Naum S. (1993). "Is This Reaction a Substitution, Oxidation-Reduction, or Transfer?". J. Chem. Educ. 70 (1): 14–16. Bibcode:1993JChEd..70...14I. doi:10.1021/ed070p14.
^ http://www.masterorganicchemistry.com/2012/09/10/elimination-reactions-are-favored-by-heat/
^ Gas Phase Studies of the Competition between Substitution and Elimination Reactions Scott Gronert Acc. Chem. Res.; 2003; 36(11) pp 848 - 857; (Article) doi:10.1021/ar020042n
^ Teknik yang digunakan adalah ionisasi electrospray dan karena membutuhkan produk reaksi bermuatan untuk deteksi nukleofil ini dilengkapi dengan gugus anionik sulfonat tambahan, non-reaktif dan mudah dipisahkan dari anion lainnya. Rasio produk substitusi dan produk eliminasi dapat diukur dari intensitas ion molekul relatifnya