Konsep-konsep struktur molekul senyawa organik

PERTEMUAN 1

KIMIA ORGANIK FISIK

Kimia organik fisik mempelajari mekanisme reaksi senyawa organik berdasarkan pada kajian struktur senyawa organik, sifat kimia dan fisika,  termodinamika dan kinetika kimia. Lingkup perkuliahan meliputi struktur senyawa organik, hubungan struktur dan kereaktifan, sifat dan kedudukan keadaan transisi, zat antara reaktif, kontrol reaksi senyawa organik, asam basa (elektrofil dan nukleofil), gugus pergi, pengaruh gugus tetangga, dan mekanisme senyawa organik.

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

1.  Elektronegativitas
2.  Ikatan hidrogen
3.  Gaya Van der Waals
4.  Polarizabilitas
5.  Gugus fungsi
6.  Efek induksi
7.  Resonansi
8.  Hiperkonyugasi
9.  Tautomeri
10.  Regangan ruang

1. ELEKTRONEGATIVITAS

Elektronegativitas adalah skala sejauh mana sebuah atom bisa menarik (mengikat) elektron untuk dirinya sendiri. Dalam kata lain, elektronegativitas mengukur kemampuan atom untuk mendapatkan (menarik) elektron dan untuk mempertahankannya. Perbedaan elektronegativitas antara dua atom dapat digunakan untuk memprediksi kekuatan relatif ikatan.^[1]

Elektronegativitas adalah kecenderungan suatu atom untuk menarik elektron dalam membentuk ikatan. Semakin besar elektronegativitas suatu atom, semakin mudah menarik elektron dalam membentuk ikatan.

 Menurut Pauling, elektronegativitas golongan gas mulia atau VIII A adalah nol. Unsur golongan gas mulia tidak memiliki kemampuan menarik dan menerima elektron. Selain itu, konfigurasi elektron gas mulia sudah sangat stabil. Unsur-unsur golongan halogen atau VIIA merupakan unsur-unsur yang sangat kuat menarik elektron ( sartono.2014. ringkasan ilmu alam super lengkap.jakarta : panda media).

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. .^[2]

Ikatan hidrogen merupakan suatu ikatan yang terjadi oleh adanya gaya tarik-menarik antara atom hidrogen dengan pasangan elektron bebas dalam senyawa polar. Contoh dalam senyawa air atom hidrogen merupakan ujung yang bermuatan positif dari molekul polar membentuk ikatan dengan bagian molekul yang bermuatan negatif dari molekul polar yang lain. Ikatan hidrogen merupakan ikatan yang lemah, kira-kira hanya sepersepuluh kekuatan ikatan kovalen, walaupun demikian ikatan hidrogen mempunyai peranan yang penting dalam kaitannya dengan sifat wujud suatu senyawa (titik didih dan titik beku).^[3]

 Adanya ikatan hidrogen dalam molekul air menyebabkan molekul air berikatan satu dengan lainnya membentuk molekul yang besar dan ini menyebabkan titik didih air tinggi (100^oC) . dibandingkan dengan molekul etanol (C₂H₅OH) yang mempunyai jumlah atom lebih banyak (titik didih 78^oC), titik didih air cukup tinggi walaupun dalam etanol sendiri juga terdapat ikatan hidrogen tetapi tidak sebanyak ikatan hidrogen pada air . ikatan hidrogen disebut juga jembatan hidrogen.^[3]

                              

3. GAYA VAN DER WALS

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.

Ikatan van der walls adalah gaya tarik menarik antarmolekul (antar kutub) dalam senyawa yang berikatan kovalen. Gaya ini merupakan gaya antarmolekul yang sangat lemah Mencakup interaksi dipole – dipole (pada senyawa polar) dan interaksi dipole terimbas/terinduksi (pada senyawa polar dan non polar). Sedangkan interaksi dipole sementara (pada senyawa non polar) biasa disebut dengan gaya dispersi London.

Semakin besar Mr suatu senyawa (semakin banyak jumlah partikel yang saling tarik) ikatan van der walls akan semakin kuat, sehingga energy yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan antarmolekul semakin besar. Akibatnya titik leleh dan titik didih senyawa tersebut akan semakin besar.^[4]

Pengaruh Gaya Van Der Wals Terhadap Titik Didih.^[5]

Semakin kuat gaya antarmolekul, titik didih semakin tinggi karena energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan semakin besar. Begitu juga untuk senyawa nonpolar, titik didih senyawa non polar dipengaruhi oleh kekuatan gaya van der wals, dalam hal ini gaya london. Kekuatan gaya london dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu jumlah awan elektron dan bentuk molekul.

a) Pengaruh Jumlah Awan Elektron

Berdasarkan data tersebut dapat disimpulkan bahwa titik didih dipengaruhi oleh jumlah awan elektron. Semakin banak awan elektron, gaya tarik-menarik molekul dipol sesaat semakin besar sehingga ikatannya semakin besar. Kenaikan titik didih senyawa tersebut juga dipengaruhi oleh Mr karena semakin ke bawah, nilai Mr semakin besar memiliki daerah gerak elektron yang besar. Akibatnya, peluang terjadinya dipol sesaat juga semakin besar. Lemahnya gaya london terjadi karena saat inti atom menginduksi awan elektron terjadi tolakan yang berasal dari inti atom molekul lain sehingga ikatan antar atom menjadi lemah.

b) Pengaruh Bentuk Molekul

Senyawa hidokarbon alkana dapat memiliki beberapa bentuk molekul (isomer). Senyawa yang memiliki rumus molekul C₅H₁₂ memiliki jumlah cabang dan titik didih yang berbeda, seperti di perlihatkan pada tabel berikut :

4. POLARIZABILITAS.^[6]

Polarisabilitas merupakan pergerakan elektron yang mengakibatkan dipol sesaat dalam suatu molekul. Pergerakan atau perpindahan elektron pada suatu atom dapat mengakibatkan tidak meratanya kepadatan elektron pada atom, sehingga atom tersebut mempunyai satu sisi dipol dengan muatan lebih negatif dibandingkan sisi yang lain. Pergerakan ini menimbulkan dipol sesaat. Gambar dibawah ini menggambarkan perbedaan sebaran elektron pada orbital normal dan orbital yang mengalami dipol sesaat. Adanya dipol sesaat menyebabkan molekul yang bersifat non-polar menjadi bersifat agak polar.

Dipol sesaat pada suatu atom dapat mengimbas atom yang berada di sekitarnya sehingga terjadilah dipol terimbas yang menyebabkan gaya tarik-menarik antara dipol sesaat dengan dipol terimbas. Gaya ini yang disebut sebagai Gaya London.

Pergerakan elektron yang mengakibatkan dipol sesaat dalam suatu molekul akan bertambah besar apabila molekul tersebut memiliki jumlah elektron yang semakin besar pula. Pergerakan elektron yang mengakibatkan dipol sesaat dalam suatu molekul disebut polarisabilitas. Jumlah elektron yang besar berkaitan dengan massa molekul relatif (Mr) molekul tersebut, sehingga semakin besar Mr suatu molekul, maka semakin besar polarisabilitasnya dan semakin besar pula Gaya Londonnya.

5. GUGUS FUNGSI^[7]

Istilah gugus fungsional dalam kimia organik adalah kelompok gugus khusus pada atom dalam molekul, yang berperan dalam memberi karakteristik reaksi kimia pada molekul tersebut. Senyawa yang bergugus fungsional sama memiliki reaksi kimia yang sama atau mirip.

Macam-Macam Gugus Fungsi.

a) Alkohol

Kelompok senyawa karbon yang memiliki gugus fungsi hidroksil (-OH) dengan rumus umum R-OH atau CnH2n+1OH. Senyawa ini mempunyai nama IUPAC alkanol karena dianggap sebagai urutan alkana dengan mensubstitusi satu atom H dengan gugus –OH. Untuk penamaan -na dirubah menjadi -nol.

R - OH

b) Eter

Dapat disebut alkoksi alkana berdasarkan aturan IUPAC, yang dianggap sebagai turunan alkana, mempunyai rumus umum R-O-R’ atau CnH2n+2O. Bila R=R’ disebut eter sederhana, sedangkan bila R bukan R’ disebut eter majemuk. R dan R' merupakan alkil. 

R - O - R'

c) Aldehida 

Senyawa karbonil (-C=O), merupakan singkatan dari alkohol dehidrogenatus. Senyawa ini dianggap turunan dari alkana sehingga disebut alkanal dan mempunyai rumus umum CnH2nO. Aldehid dapat diperoleh dengan jalan oksidasi alkohol primer. untuk tatanama yaitu akhiran -na ditambahkan -l menjadi -nal.

d) Keton

Senyawa karbonil (-C=O). Senyawa ini dianggap turunan dari alkana sehingga disebut alkanal dan mempunyai rumus umum CnH2nO. Seperti halnya eter, R yang sama dengan R’ disebut katon sederhana, sedangkan R yang tidak sama dengan R’ disebut keton majemuk. R dan R' merupakan alkil.

e) Asam Karboksilat

( Alkanoat ) memiliki rumus umum CnH2nO2 atau R-COOH. Gugus karboksilat (-COOH) merupakan gabungan dari gugus karbonil dan hidroksil. Senyawa ini dianggap turunan alkana dan diberi nama asam alkanoat atau dengan nama yang lebih lama, asam alkana karboksilat.

f) Ester

Memiliki rumus umum CnH2nO2 atau R-COO-R’. Nama IUPAC dari ester adalah alkyl alkanoat. Kebanyakan senyawa ester berbau harum, karena itu banyak digunakan sebagai pengharum (esens). Ester dibuat dari asam dan alkohol melalui reaksi esterifikasi yang berupa reaksi setimbang.

g) Alkilamina

Senyawa karbon yang berikatan dengan gugus -NH2.

R – NH₂

h) Haloalkana 

Suatu senyawa karbon atau alkil yang berikatan dengan salah satu unsur halogen.

R - X

x = unsur-unsur halogen atau VIIA ( F, Cl, Br, I, At)

6. EFEK INDUKSI

Efek induksi adalah suatu aksi elektrostatik yang diteruskan melalui rantai atom dalam suatu molekul (lewat ikatan σ).

Dan efek itu dapat dinyatakan sebagai I + dan I –

I + jika subtituen yang terikat mendorong elektron ( melepaskan e - )

I - jika subtituen yang terikat menarik Elektron ( mengambil e - )

Asam metanoat lebih asam dari asam etanoat karena  pada asam etanoat terdapat gugus metil yang mempunyai kemampuan mendorong elektron ikatan melalui ikatan sigma  (C-C-O-H) sehingga atom O menjadi relatif makin negatif, akibatnya atom H sukar lepas sebagai H+, asamnya menjadi lebih lemah. 

Gugus CH3  mempunyai efek induksi mendorong elektron, diberi simbol +I.

Asam alfamonoflouroetanoat lebih asam dari asam metanoat karena pada  asam alfa monoflouroetanooat terdapat gugus F yang mempunyai kemampuan menarik elektron ikatan melalui ikatan sigma sehingga atom O menjadi relatif makin positif, akibatnya atom H makin mudah lepas sebagai H+, asamnya menjadi lebih kuat.

Gugus F mempunyai efek induksi menarik elektron diberi simbol -I

a.       Suatu asam dengan gugus penarik (-I) akan memperbesar keasamannya. Contoh:

CH₃COOH                           FCH₂COOH

pKa : 4,8                                           pKa : 2,66

b.      Semakin besar keelektronegatifan gugus –I tersebut makin kuat asam tersebut. Contoh :

FCH₂COOH        (lebih asam dari)          ClCH₂COOH

pKa : 2,66                                                            pKa  2,86

c.         Semakin banyak gugus –I (penarik elektron) semakin kuat asam yang bersangkutan. Contoh:

Cl₃CCOOH          >         Cl₂CHCOOH                          >          ClCH₂COOH

pKa : 0,65                                    pKa : 1,30                               pKa : 2,86

Akan tetapi, jika letak gugus –I jauh, maka pengaruhnya hanya sedikit. Contoh :

ClCH₂CH₂COOH                        <          ClCH₂COOH

pKa : 4,00                                                pKa : 2,86 

d.        Apabila suatu asam mempunyai gugus +I (pendorong elektron), maka asam tersebut akan berkurang keasamannya. Contoh :

HCOOH              >          CH₃COOH

pKa : 3,77                                    pKa : 4,8

Makin kuat gugus +I tersebut makin kecil keasamannya. Contoh :

^-OOCCH₂COOH             <          CH₃CH₂ COOH

pKa : 5,69                                                pKa : 4,85

Suatu basa akan bertambah kuat jika memiliki gugus +I. Contoh :

NH₃          <          CH₃NH₃          <          (CH₃)₂NH

pKb : 4,75            pKb : 3,34                   pKb : 3,29

7. RESONANSI

Resonansi secara singkat dapat dikatakan dengan suatu senyawa kimia yang strukturnya sama tetapi konfigurasi elektronnya berbeda. ^[8] Contohnya :

Struktur Resonansi Benzena:

Resonansi terjadi karena adanya delokalisasi elektron dari ikatan rangkap ke ikatan tunggal. Delokalisasi elektron yang terjadi pada benzena pada struktur resonansi adalah sebagai berikut:

Hal yang harus diperhatikan adalah, bahwa lambang resonasi bukan struktur nyata dari suatu senyawa, tetapi merupakan struktur khayalan. Sedangkan struktur nyatanya merupakan gabungan dari semua struktur resonansinya. Hal ini pun berlaku dalam struktur resonansi benzena, sehingga benzena lebih sering digambarkan sebagai berikut:

Teori resonansi dapat menerangkan mengapa benzena sukar diadisi. Sebab, ikatan rangkap dua karbon-karbon dalam benzena terdelokalisasi dan membentuk semacam cincin yang kokoh terhadap serangan kimia, sehingga tidak mudah diganggu. Oleh karena itulah reaksi yang umum pada benzena adalah reaksi substitusi terhadap atom H tanpa mengganggu cincin karbonnya.^[9]

8. HIPERKONJUGASI

Hiperkonjugasi merupakan delokalisasi yang melibatkan elektron σ. Hiperkonjugasi di atas dapat dipandang sebagai overlap antara orbital σ ikatan C-H dengan orbital π ikatan C=C, analog dengan overlap π-π. Hiperkonjugasi disebut juga resonansi tanpa ikatan. Secara singkat efek hiperkonjugasi merupakan perubahan dari suatu ikatan C-H menjadi ikatan C=C atau C≡C oleh Hα. Hiperkonjugasi dapat meningkatakan kestabilan molekul dengan semakin banyaknya Hα maka suatu molekul tersebut akan semakin stabil.

Contoh:

Jika suatu karbon yang mengikat atom hydrogen dan terikat pada atom tak jenuh atau pada satu atom yang mempunyai orbital bukan ikatan maka untuknya dapat dituliskan bentuk kanonik seperti diatas. Di dalam bentuk kanonik seperti itu sama sekali tidak ada ikatan antara karbon dengan ion 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 diatas pada molekul nyata adalah elektron dalam C-H lebih dekat ke karbon daripada jika struktur diatas  tidak berkontribusi.^[10]

9. TAUTOMERI

Tautomeri adalah perpindahan atom dalam satu molekul menjadi isomer. contohnya perubahan keto menjadi enol, amin menjadi imin. Suatu senyawa karbonil dengan suatu hidrogen alfa yang bersifat asam, dapat berada dalam dua bentuk yang disebut tautomer : suatu tautomer keto dan sebuah tautomer enol.

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).

Kuantitas relative enol versus keto dalam suatu cairan murni dapat diperkirakan dengan spektroskopi inframerah atau nmr. Aseton terutama ada dalamketo (99,99% menurut prosedur titrasi khusus). Kebanyakan aldehida dan keton yang sederhana juga terutama ada dalam bentuk keto; tetapi, 2,4-pentanadion terdiri dari 80% enol! Bagaimana perbedaan besar ini dapat dijelaskan? Perhatikan struktur tautomer 2,4-pentanadion:

Bentuk enol tidak hanya memiliki ikatan rangkap berkonjugasi, yang sedikit menambah kestabilan, tetapi juga memiliki susunan yang sedemikian rupa sehingga mmemungkinkan terbentuknya ikatan hidrogen internal, yang membantu menstabilkan tautomer ini. Tatomeri dapat mmempengaruhi kereaktivan suatu senyawa. Suatu pengecualian terhadap sifat keton yang tidak mudah teroksidasi, ialah oksidasi keton yang memiliki sekurang-kurangnya suatu hidrogen alfa. Suatu keton yang dapat menjalani tautomeri dapat dioksidasi oleh zat-pengoksidasi kuat pada ikatan rangkap karbon-karbon (dari) tautomer enolnya. Rendemen reaksi ini tidak diguakan untuk kerja sinetik, tetapi  sering digunakan dalam penuturan struktur.^[11]

10. REGANGAN RUANG

Regangan ruang adalah besarnya regangan pada struktur senyawa kimia berbentuk siklik untuk menunjukkan seberapa besarnya regangan ruang dari cicin siklik tersebut. Dimana tabel data mengenai regangan ruang dapat dilihat pada tabel berikut :

permasalahan

Ikatan hidrogen dapat terbentuk jika atom hidrogen (H) terikat pada atom lain seperti F,O, dan N. Bagaimana pengaruh ikatan pada atom F,O,dan N dan bagaimana ikatan yang tejadi pada  H₂O, NH₃, dan HF ?

DAFTAR PUSTAKA

^[1] http://www.amazine.co/25739/apa-itu-elektronegativitas-definisi-konsep-pencetusnya/

^[2] http://fungsi.web.id/2015/10/pengertian-ikatan-hidrogen.html

^[3] Hadiat, Moedjadi, N. Kertiasa, Soekarno, dan S. Soepomo. 1996. Kamus Sains. Jakarta : Balai Pustaka.

^[4] https://prezi.com/b8xrwuvecxri/ikatan-van-der-waals/

^[5] Nana Sutresna. 2008. Kimia. Bandung : Grafino Media Pratama

^[6]https://rinioktavia19942.wordpress.com/kimia-kelas-xi/semester-i/gaya-antar-molekul/gaya-london/

^[7] https://id.wikipedia.org/wiki/Gugus_fungsional

 ^[8] http://gigihkurniawan.blogspot.co.id/2013/11/Resonansi-Konjugasi-Hiperkonjugasi.html

^[9]http://kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2008/Siti%20Latifah%20A_054413/BenZena.Com/4_resonansi.htm

^[10] http://gigihkurniawan.blogspot.co.id/2013/11/Resonansi-Konjugasi-Hiperkonjugasi.html

^[11] http://atom-green.blogspot.co.id/2013/10/tautomeri.html