IKATAN DALAM MOLEKUL ORGANIK

 

IKATAN DALAM MOLEKUL ORGANIK

            Ikatan dalam molekul organik terdiri mekanika kuantum dan orbital atom, termasuk Konfigurasi  elektron, orbital molekul dan ikatan, yang juga ini kombinasi linear orbital atom, ikatan sigma dan Pi, orbital hibrida, karbon tetrahedron-orbital hibrida sP³, orbital hibrida sP² dan Sp, Sudut ikatan, orbital hidrida termodifikasi, tolak-menolak pasangan elektron kulit valensi, dan energi ikatan dan jarak ikatan. Dari sekian banyak ikatan dalam molekul organik mungkin cuma yang terasa amat penting adalah energi ikatan dan jarak ikatan yang akan kita bahas dalam bab ini karena hampir semua ini adalah melibatkan reaksi kimia organiknya.

            Kita semua mengenal proses kimia yang disebut pembakaran. Pembakaran hidrokarbon berbentuk gas seperti metana atau komponen bensin dan batubara memberikan energi yang menyebabkan dunia industri tetap berjalan. Reaksinya eksoterm. Reaksi yang mengabsorpsi bahang disebut reaksi endoterm.

A.      Energi ikatan

Energi kinetik adalah energi gerak, yaitu gerak suatu benda. Getaran, putaran, dan pengalihan (translasi) molekul adalah penjelmaan dari energi kinetik. Energi potensial adalah energi yang ada pada suatu benda karena adanya gaya luar (eksternal) yang bekerja pada benda itu. Gaya gravitasi merupakan sumber energi potensial. Energi suatu ikatan kimia merupakan bentuk energi potensial yang timbul dari gaya tarik menarik antar atom.

Energi harus ditambahkan kepada molekul untuk memutuskan suatu ikatan kimia (suatu proses endoterm) dan energi dibebaskan bila suatu ikatan kimia terbentuk (suatu proses eksoterm). Ada dua proses untuk menggambarkan putusnya ikatan kimia.  Salah satu adalah bahwa pasangan elektron dari satu ikatan terpisah, sehingga sebuah elektron ikut atom yang mula-mula mengikatnya. Proses ini disebut homolisis atau pemutusan homolitik. Hal yang lebih lazim dalam mempelajari reaksi organik ialah hal pemutusan ikatan yang disebut heterolisis atau pemutusan heterolitik. Disini kedua elektron dari ikatan mengikuti salah atom pada pemutusan ikatan.

Energi yang terkait dalam pemutusan dan pembentukan ikatan sewaktu perubahan kimia disebut bahang reaksi dan diukur dalam perubahan entalpi (ΔH). Sebagai besaran  termo dinamika terdapat hubungan tepat antara bahang reaksi dan kandungan standar  entalpi produk (hasil reaksi) dan pereaksi.

ΔH^o  reaksi = ΔH^o hasil reaksi -ΔH^o pereaksi

Tanda atas menunjukkan bahwa perubahan entalpi berhubungan dengan produk dan pereaksi dalam keadaan standar (25^oC dan tekanan 1 atmosfer). Sebagai kemungkinan lain, pengukuran dilakukan pada kondisi lain yang kemudian diekstrapolasi ke kondisi standar. Data yang telah dikumpulkan cukup banyak sehingga dapat memberikan perubahan standar entalpi bagi berbagai reaksi, tetapi data seperti masih belum ada sebagian besar proses organik. Lagi pula, kita sering ingin memperkirakan perubahan energi reaksi yang belum pernah diamati untuk meramalkan kelayakan secara termodinamika. Nilai yang mendekati dapat diperkirakan dengan membandingkan energi ikatan yang mengalami perubahan sewaktu pereaksi diubah menjadi pereaksi.

Perhatikan reaksi berikut

Cl₂ + CH₄                          CH₃Cl       +     HCl

         Metana                  Klorometana

     Ikatan  yang terbentuk         kkal/mol (kJ mol)*

     C     Cl                                      81      (339)

     H     Cl                                  103     (431)

     Ikatan yang terputus

     C      H                                    99     (434)

     Cl      Cl                                  58     (243)

Karena pemutusan ikatan membutuhkan energi (ΔH >0)  dan pembentuan ikatan membebaskan energi (ΔH < 0 ) 

  ΔH^o _reaksi   = ( 99 + 58) – (81 + 103)         = -27 kkal/mol

            atau    (414 + 243) – (339 + 431)  = - 113 Kj/mol

       Perkiraan nilai bahang reaksi sebesar-27 kkal/mol (-113 kJ/mol) menunjukkan bahwa reaksi akan menyebabkan suatu pengurangan entalpi dari sistim kimia tersebut, berarti bahwa reaksinya ekstorm (ΔH< 0)  dan bahang akan dibebaskan  jika terjadi reaksi.

Fakta bahwa suatu reaksi adalah ekstorm tidak menjadi bahwa reaksi akan terjadi. Laju reaksi kimia akan dipengaruhi oleh parameter termodinamika tambah yang tergabung dalam suatu besaran yang dikenal sebagai energi pengaktifan. 

       Energi ikatan ditentukan dengan dua cara. Energi ikatan rata-rata adalah ukuran rata-rata dari semua energi ikatan yang serupa dalam molekul. Energi disosiasi ikatan adalah ukuran dari energi yang diperlukan untuk memutuskan secara homolitik ikatan kimia tertentu.

Mari kita lihat dua cara yang dipergunakan untuk menentukan energi ikatan metana. Pemutusan homolitik empat ikatan karbon –hidrogen membutuhkan 397 kkal/mol (160 Kj/mol).  Energi ikatan rata-rata ikatan C-H dalam metana dengan demikian ialah 99,3 kkal /mol (415 kJ/mol).

CH₄          C + 4H      ΔH^o       = 397 kkal/mol  (1660 kJ/mol)

Jika kita diperhatikan energi yang diperlukan untuk memutuskan masing-masing ikatan metana, kita dapat bahwa energinya berlain-lainan. Ini adalah energi disosiasi ikatan yang mengambarkan pengaruh bagian molekul yang tinggal terhadap ikatan yang diputuskan.

CH₄             CH₃ + H         ΔH^o  = 102 kkal/mol ( 427 Kj/mol)

CH₃             CH₂ + H         ΔH^o  = 110 kkal/mol ( 460 Kj/mol)

CH₂             CH  + H         ΔH^o  = 104 kkal/mol ( 435 Kj/mol)

CH              C   + H         ΔH^o  =  81 kkal/mol  ( 339 Kj/mol)

Suatu kumpulan energi ikatan rata rata  (tabel 3.1) mengungkapkan beberapa keadaan umum.  Sebagian besar ikatan tunggal mempunyai energi diantara 50 -100 kkal/mol (200-400 kJ/mol). Ikatan tunggal antar atom dengan pasangan elektron tak berbagi biasanya lebih lemah karena adanya tolak menolak antar pasangan Ikatan rangkap dua dan tiga lebih kuat daripada ikatan tunggal. Makin turun susunan berkala, kekuatan ikatan makin berkurang.

B Jarak ikatan

Panjang suatu ikatan kimia adalah hasil keseimbangan antara gaya  tarik- menarik dan tolak – menolak antara atom yang saling mengikat. Panjang ikatan ditentukan secara uji kaji dengan berbagai teknik difraksi dan spektrum, yang mengambarkan jarak rata-rata antara atom meski pun sebetulnya atom bergetar dalam molekul.

Sangatlah menarik bahwa panjang setiap ikatan hanya berbeda sedikit sekali dari satu senyawa ke senyawa yang lain. Unsur pada baris kedua susunan berkala membentuk ikatan dengan hidrogen dengan panjang ikatan mendekati 1 A (100 pm). Ikatan tunggal antara unsur pada baris kedua biasanya mempunyai panjang kira-kira 1,5 A (150 pm) dan jarak ikatan  rangkapnya baik yang rangkap dua maupun yang rangkap tiga lebih pendek. Atom dibawah baris kedua pada susunan berkala membentuk ikatan yang nisbi lebih panjang agar dapat memuat ukuran yang lebih besar.

Biasanya ada suatu hubungan antara kekuatan dan panjang ikatan antara dua atom. Semakin kecil jarak antar –inti, semakin kuatlah ikatan. Sebagai contoh, ikatan tunggal karbon –karbon (tabel 3.2) dan ikatan rangkap tiga ini lebih kuat (tabel 3.1). Pada tabel 3.3 tercatum beberapa panjang ikatan dan kekuatan ikatan nisbi.

kimia organik

Apakah kimia Organik ?

Pengantar (Intruduction)

            Kimia – Ilmu mengenai susunan, sifat dan pengubahan zat – secara tradisional dibagi dalam beberapa golongan untuk dipelajari. Kimia organik, kimia anorganik, kimia fisika, dan biokimia mewakili golongan besar yang pembagiannya hanya dibuat-buat saja, padahal sebenarnya berupa disiplin ilmu yang menyatu. Memang jika kita sadari betapa banyaknya pengetahuan yang termasuk dalam ilmu kimia, dapatlah dimengerti mengapa pembagian seperti itu terjadi.

Bahan organik hanya menwakili satu jenis senyawa kimia, yaitu yang mengandung satu karbon atau lebih. Kimia organik berangkali lebih baik didefinisikan sebagai kimia senyawa yang mengandung karbon.

1. Segi sejarah

            Senyawa organik dan reaksinya telah dipakai orang sejak dulu.  Jika daun dan kulit kayu atau akar tumbuhan dicampur dengan air untuk dibuat obat, sebetulnya disini suatu campuran rumit dari bahan alam organik di ekstraksi untuk mendapatkan komponen yang aktif biologis. Pemasakan makanan contoh bahan reaksi organik. Pembakaran minyak atau lemak hewan untuk mendapatkan bahang dan penerangan merupakan suatu pengubahan kimia organik yang dapat disamakan dengan analisis pembakaran modern yang begitu berguna dalam menjelaskan struktur.

2 Ikatan

Apakah yang mengikat atom-atom menjadi satu dalam molekul?. Hal ini salah satu pertanyaan penting yang dihadapi kimiawan dulu. Konsep ikatan sangat penting dalam pengertian struktur dan reaksi senyawa kimia.

A. Tiori awal ikatan

Pada awal abad 19 Berzelius menyarankan suatu tiori ikatan yang disebut dualisme. Konsepnya diturunkan dari pengamatan berdasarkan uji-kaji bahwa sejumlah atom tetentu (sebetulnya ion) berpindahan dalam medan listrik. Berzelius mengusulkan bahwa atom-atom terikat menjadi satu oleh tarikan listrik antara dua spesies yang mempunyai muatan berlawanan.

Contoh

Garam anorganik Natrium Klorida (NaCl)------->  Na⁺  Cl^-

B. Ikatan kovalen

Lewis = Elektron kulit luar dari atom yang berantar- aksi dapat dialihkan atau dikuasai bersama

      :             :                     :          :

  :  Cl - +  - Cl  :  --------> : Cl -   _{_}-  -Cl :

      :            :                      :            :

Merupakan kompromi antara gaya tarik - menarik dan gaya tolak–menolak

Suatu tafsiran kuantitatif dari ikatan dikembangkan melalui konsepsi tiori mekanika kuantum.

C. Ikatan dalam metana

Bagaimanakah senyawa organik dapat tercakup dalam tiori ikatan lewis? Marilah kita perhatikan dulu senyawa organik paling sederhana yaitu metana (CH₄ ) Atom karbon memiliki empat elektron yang tersedia pada  kulit luar untuk ikatan. Ikatan ion mungkin terbentuk jika keempat elektronnya diberikan kepada keempat atom hidrogen untuk menjadi suatu struktur gas mulia dengan muatan +4 pada karbon.Kemungkinan lainnya ialah bahwa masing–masing dari keempat atom hidrogen memberikan satu elektron menghasilkan struktur gas mulia oktet karbon dengan muatan -4.

3 Rumus Struktur Molekul Organik

A Rumus organik berdimensi dua

B. Isomer struktur

            Atom pada contoh terdahulu  mudah disusun  ke dalam rumus molekul yang sudah jelas. Akan tetapi kemampuan atom karbon yang satu untuk membentuk ikatan tunggal dan ganda, dengan atom karbon lainya.

C. Pengambaran struktur biasa.

            Memggambarkan tiap ikatan pada tiap atom penting dalam mempelajari dan memahami kerumitan struktur organik, akan tetapi hal ini memakan tempat dan tidak praktis jika berhadapan banyak sekali struktur. Kimiawan organik telah membuat berbagai cara untuk menggambarkan struktur. Dalam rumus struktur mampat termasuk semua atom, akan tetapi garis untuk ikatan hanya dipakai untuk menekan adanya kekhasan struktur atau untuk lebih menerangkan gambar. Namun, ikatan ganda digambarkan dengan garis. Gugus yang berulang sering ditunjuk dengan kurung.

Cara menulis dengan garis ikatan lebih menyederhanakan lagi pengambaran struktur.Ikatan digambarkan dengan garis dan atom karbon dengan ujung garis dan titik percabangan.

D. Indek kekurangan Hidrogen.

Rumus molekul memberikan sesuatu yang lebih dari suatu pendekatan coba-coba untuk menyimpulkan struktur yang mungkin bagi satu senyawa.

4 Keelektronegatifan dan dipol.

A. Keelektronegatifan

B. Dipol

C. Muatan Bentukan

5 Reaksi Khas Senyawa organik.

Reaksi dibagi dalam tiga golongan yaitu, adisi. subtitusi, dan eliminasi.

A.                Adisi

Reaksi adisi terjadi pada senyawa tak jenuh. Molekul tak jenuh dapat menerima tambahan atom atau gugus dari pereaksi tanpa melebihi angka koordinasi maksimum dari atomnya sendiri. Ikatan rangkap dua dan rangkap tiga karbon-karbon dan rangkap dua karbon – oksigen merupakan jenis struktur yang paling umum yang mengalami reaksi adisi. Dua contoh pereaksi yang mengadisi pada ikatan ganda ialah brom dan hidrogen. Adisi brom biasanya merupakan reaksi cepat, dan sering dipakai sebagai uji kualitatif  untuk mengindentifika ikatan rangkap dua atau rangkap tiga.

Adisi hidrogen membutuhkan sebuah katalis. Pengukuran kuantitatif hidrogen yang terpakai alam adalah suatu cara untuk menentukan jumlah ikatan ganda dalam suatu molekul.

Pereaksi tak simetris dapat juga mengadisi pada ikatan ganda

B.       Substitusi

Suatu reaksi subtitusi terjadi bila sebuah atom atau gugus yang berasal dari pereaksi mengantikan sebuah atom atau gugus dari molekul yang bereaksi. Subtitusi dapat terjadi pada atom karbon jenuh atau tak jenuh.

Persamaan pertama mewakili suatu jenis yang sangat umum dari reaksi subtitusi pada sebuah atom karbon jenuh. Persamaan kedua lebih rumit, karena dua atom hidrogen dari pereaksi diganti untuk memberikan campuran produk isomer. Persamaan ketiga merupakan contoh subtitusi dari sebuah karbon tak jenuh. Dalam pasal terdahulu contoh adisi pada ikatan tak jenuh telah disajikan.Dua jenis kereaktifan yang agak berbeda dari senyawa tak jenuh menggambarkan  keanekaragaman reaksi yang dapat terjadi dengan molekul organik yang kelihatannya sama. Dalam bab berikut akan kita pelajari bagaimana seluk-beluk struktur menyebabkan adanya perdedaan dalam jalan reaksi.

C.                 Eliminasi.

Suatu reaksi eliminasi adalah kebalikan dari reaksi adisi. Beberapa atom dipisahkan dari se buah molekul untuk membentuk ikatan ganda atau siklis. Kebanyakan reaksi eliminasi menyangkut kehilangan atom bukan karbon.

6 Oksidasi dan reduksi

A. Tahana oksidasi molekul organik

B. Reaksi Redok.