Mekanisme Reaksi Subsitusi Nukleofilik

Karbon dengan ujung suatu alkil halida mempunyai muatan positif parsial, karbon jenis ini rentan terhadap serangan oleh anion dan spesi lain apa saja yang mempunyai sepasang elektron yang berdiri sendiri dalam kulit luarnya. Reaksi yang terjadi dinamakan reaksi subsitusi, yaitu suatu reaksi dalam mana satu atom, ion, atau gugus disubsitusikan untuk (menggantikan) atom, ion atau gugus lain. 

Dalam reaksi subsitusi alkil halida, halida disebut gugus pergi (leaving group) suatu istilah yang berarti gugus apa saja yang dapat digeser dari iktannya dengan suatu atom karbon. Ion halida merupakan gugus pergi yang baik, karena ion-ion ini merupakan basa yang sangat lemah. Dalam reaksi subsitusi alkil halida, ion iodida adalah halida yang paling mudah digantikan, kemudian ion bromida dan klorida  karena F^- merupakan basa yang lebih kuat daripada ion halida lainnya, ikatan C-F lebih kuat daripada C-X lain, maka fluorida bukan merupakan gugus pergi yang baik. Mudahnya hanya Cl,Br, dan I yang merupakan gugur pergi yang baik, sehingga digunakan dalam reaksi subsitusi. 

Spesi yang menyerang suatu allkil halida dalam suatu reaksi subsitusi disebut nukleofil. Nukleofil adalah spesies yang mengandung atom yang memiliki pasangan elektron secara mandiri, nukleofil berasal dari kata nukleus dan philic (suka), merupakan spesi yang menyukai spesi bermuatan positif, pada umumnya berupa anion. Nukleofil merupakan basa Lewis yang mendonorkan pasangan elektron pada elektrofil (asam Lewis) untuk membentuk sebuah ikatan. Lawan nukleofil adalah elektrofil (penyuka electron) yang dilambangkan dengan  E⁺, suatu elektrofil adalah spesi apa saja yang tertarik kesuatu pusat negative, jadi suatu elektrofil adalah suatu asam Lewis seperti H⁺ atau ZnCl₂

Reaksi Subsitusi Nukleofilik

Suatu nukleofil (Z:) menyerang alkil halida pada atom karbon hibrida-sp3 yang mengikat halogen (X), menyebabkan terusirnya halogen oleh nukleofil. Halogen yang terusir disebut gugus pergi. Nukleofil harus mengandung pasangan elektron bebas yang digunakan untuk membentuk ikatan baru dengan karbon. Hal ini memungkinkan gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron yang tadinya sebagai elektron ikatan. Ada dua persamaan umum yang dapat dituliskan:

dengan contoh sebagai berikut : 

S_N2 berarti subsitusi nukleofilik bimolekuler. Reaksi bimolekuler adalah satu tingkat yang tergantung pada konsentrasi dua reaktan. 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). Laju reaksi pada reaksi S_N2 mengikuti kaidah orde dua. 

Ciri – ciri reaksi subsitusi S_N2

1.  Nukleofil dan substrat terlibat dalam langkah penentu kecepatan reaksi, maka kecepatan reaksi tergantung pada konsentrasi kedua spesies tersebut.

2.  Reaksi terjadi dengan pembalikan (inversi) konfigurasi. Misalnya jika kita mereaksikan (R)-2-bromobutana dengan natrium hidroksida, akan diperoleh (S)-2-butanol. Ion hidroksida menyerang dari belakang ikatan C-Br. Pada saat substitusi terjadi, ketiga gugus yang terikat pada karbon sp3 kiral itu seolah-olah terdorong oleh suatu bidang datar sehingga membalik. Karena dalam molekul ini OH mempunyai perioritas yang sama dengan Br, tentu hasilnya adalah (S)-2-butanol. Jadi reaksi SN2 memberikan hasil inversi.

3.   Jika substrat R-L bereaksi melalui mekanisme S_N2, reaksi terjadi lebih cepat apabila R merupakan gugus metil atau primer, dan lambat jika R adalah gugus tersier. Gugus R sekunder mempunyai kecepatan pertengahan. Alasan untuk urutan ini adalah adanya efek rintangan sterik. Rintangan sterik gugus R meningkat dari metil, primer , sekunder dan tersier. Jadi kecenderungan reaksi S_N2 terjadi pada alkil halida adalah: metil > primer > sekunder >> tersier.

Pemerincian yang terinci mengenai bagaimana reaksi berlangsung disebut mekanisme reaksi. Reaksi S_N2 adalah salah satu reaksi yang telah dipelajari secara luas, terdapat sejumlah besar data eskperimen yang mendukung mekanisme reaksi tersebut. Agar bereaksi pertama-tama molekul-molekul ini harus saling bertabrakan. Kebanyakan tabrak antara molekul itu tidak mengakibatkan suatu reaksi, agar bereaksi, molekul yang bertabrakan tersebut haruslah mengandung energi potensial untuk dapat mematahkan ikatan. Berikut ini adalah mekanisme reaksi nukleofilik S_N2

Berikut adalah dua model mekanistik untuk bagaimana alkil halida dapat mengalami substitusi nukleofilik. Pada gambar pertama, reaksi terjadi dalam satu langkah, dan pembentukan ikatan dan pemecahan ikatan terjadi secara bersamaan. (Dalam semua gambar di bagian ini, 'X' menunjukkan substituen halogen).

Ini disebut mekanisme 'S_N2'. Dalam istilah SN2, S adalah singkatan dari 'substitution', subscript N adalah 'nucleophilic', dan angka 2 merujuk pada fakta bahwa ini adalah reaksi bimolecular: laju keseluruhan tergantung pada langkah di mana dua molekul terpisah ( nukleofil dan elektrofil) bertabrakan. Bila sebuah nukleofil menabrak sisi belakang suatu atom tetrahedral yang terikat pada suatu halogen, terjadi dua peristiwa sekaligus yaitu suatu ikatan baru terbentuk dan ikatan C-X patah. 

Diagram energi potensial untuk reaksi ini menunjukkan keadaan transisi sebagai titik tertinggi pada jalur dari reaktan ke produk. Jika  melihat dengan seksama kemajuan reaksi S_N2, kita akan menyadari sesuatu yang sangat penting tentang hasilnya. Nukleofil, yang merupakan spesies kaya elektron, harus menyerang karbon elektrofilik dari sisi belakang relatif terhadap lokasi kelompok yang meninggalkan. Pendekatan dari sisi depan sama sekali tidak berhasil hal tersebut karena kelompok yang meninggalkan yang juga merupakan kelompok yang kaya elektron sehingga menghalangi jalan.

Hasil dari serangan belakang ini adalah bahwa konfigurasi stereokimia pada karbon pusat membalik ketika reaksi berlangsung. Dalam arti tertentu, molekul itu terbalik. Pada keadaan transisi, karbon elektrofilik dan tiga substituen 'R' semuanya terletak pada bidang yang sama. ketiga gugus yang terikat pada karbon berubah posisi menjadi rata dalam keadaan transisi, kemudian membalik ke sisi lain, peristiwa membalik ini disebut inversi konfigurasi atau inversi walden. 

Di bawah ini adalah animasi yang menggambarkan prinsip-prinsip yang baru saja dipelajari, menunjukkan reaksi S_N2 antara ion hidroksida dan metil iodida. Perhatikan bagaimana serangan bagian belakang oleh nukleofil hidroksida menghasilkan inversi pada elektrofil karbon tetrahedral.

Faktor-faktor  yang mempengaruhi reaksi S_N2 

1.    Kekuatan relatif nukleofil : nukleofil yang bermuatan negatif lebih kuat dari nukleofil netral.
2.    Efek Sterik pada nukleofil : nukleofil dengan struktur yang lebih meruah akan terintangi ketika membentuk ikatan tunggal.

Permasalahan 

1. Mengapa nukleofil yang bermuatan negatif lebih kuat daripada yang bermuatan netral?

2. Ikatan C-F lebih kuat daripada ikatan C-X lainnya , bagaimana hal tersebut bisa terjadi?

3. Mengapa dalam subsitusi ini nukleofil harus  menyerang dari belakang?