Peran Sentral Konsep Asam-Basa dalam Reaksi Kimia Organik
Kimia organik merupakan bahasan menarik, namun kebanyakan orang yang belajar kimia organik merasakan kesulitan. Kurang kuatnya dasar yang justru memiliki peran sentral untuk bahasan kimia organik itu sendiri adalah penyebabnya. Andai dipahami bila tidak dapat menghubungkannya dalam konsep reaksi kimia organik itu sendiri akhirnya tidak paham juga dan bisa berujung frustrasi.
Seperti tulisan sebelumnya tentang simpul dalam reaksi kimi organik, berikut ini fokus konsep asam-basa pada spesi yang sering terlibat dalam reaksi-reaksi kimia organik.
Kutipan kalimat berikut dari Buku Organic Chemistry Solomon dan Fryhle:
Maksud dari kata kimia asam-basa di sini adalah bahasan asam-basa berdasarkan teori Bronsted-Lowry dan teori asam-basa yang lebih luas, yaitu teori asam-basa Lewis. Mengapa hal ini begitu penting?
Beberapa Hal Prinsip
1. Asam-basa Bronsted-Lowry.
Yang dimaksud asam menurut Bronsted-Lowry, spesi yang dapat menyumbangkan/melepaskan proton (H+) kepada spesi lain, sedangkan basa adalah spesi yang dapat menerima proton dari spesi lain.
2. Asam-basa Lewis
Yang dimaksud basa menurut Lewis, spesi yang dapat menyumbangkan/melepaskan pasangan elektron bebas (PEB) yang ia memiliki kepada spesi lain, sedangkan asam adalah spesi yang dapat menerima PEB dari spesi lain.
Syarat sebagai basa Lewis harus memiliki PEB, syarat sebagai asam Lewis harus mempunyai orbital kosong yang akan digunakan untuk menampung PEB dari pendonor.
Syarat-syarat ini sayangnya tidak selalu nampak dalam rumus kimia suatu spesi. Oleh karena itu kuncinya adalah memahami struktur Lewis setiap spesi itu.
Misalnya (CH3)3C+, (CH3)2NCH2CH3, (CH3)3B, (CH3)3P, Br–. Manakah yang berpotensi untuk berperan sebagai asam Lewis dan manakah yang dapat berperan sebagai basa Lewis?
Dengan tahu struktur Lewis maka menjadi lebih mudah untuk ditentukan.
Atom C pusat yang "miskin elektron" berperan sebagai asam Lewis yang kemudian bisa disebut sebagai elektrofil. Asam Lewis akan stabil hingga ada elektron yang mengisi orbital kosongnya. Atom C dengan orbital hibrida sp atau sp2 biasanya seperti itu.
Untuk basa Lewis kemudian bisa saja disebut nukleofil, ia akan mencari atom-atom yang bermuatan positif atau atom lain yang memang miskin elektron.
3. Membandingkan kekuatan asam/basa suatu spesi
Kekuatan asam atau basa dapat ditinjau dari nilai Ka (tetapan ionisasi asam) atau Kb (tetapan ionisasi basa) dari asam/basa Bronsted Lowry.
Bila diketahui nilai-nilai tersebut maka dapat ditentukan mana asam yang relatif lebih kuat atau sebaliknya dan manakah basa yang relatif lebih lemah dan sebaliknya.
Semakin besar Ka artinya asam tersebut lebih banyak yang terurai, [H+] semakin besar pula. Ingat persamaan kesetimbangan asam basa.
HA ⇌ H+ + A–;
Ka = [H+][A–] / [HA]
Analog dengan Ka untuk Kb juga mirip seperti itu. Semakin besar nilai Kb maka semakin kuat kebasaannya.
Karena nilai Ka atau Kb termasuk angka kecil maka dibuatlah besaran yang disebut pKa atau pKb. pKa = –log Ka dan pKb = –log Ka
Bila Ka semakin besar maka sifat keasaman zat dalam larutan akan semakin kuat maka berdasarkan nilai pKa ia justru akan semakin kecil.
Bagaimana bila data Ka untuk Kb tidak diketahui? Di sinilah yang biasa menjadi "keasyikan" tersendiri dalam mempelajari reaksi-reaksi kimia organik.
Salah satu yang dapat digunakan sebagai prediksi kekuatan asam atau basa adalah dengan mengamati struktur molekul. Mengamati trend/pola keeelektronegatifan atom pusat dan juga atom luar. Selain itu perlu memahami dengan baik tentang struktur Lewis.
3a. Efek Kekuatan Ikatan
Misalnya fenomena kekuatan sesama asam halida (HF, HCl, HBr, HI). Semakin tidak efektif orbital yang tumpang tindih antara orbital 1s hidrogen dengan orbital unsur-unsur yang lebih besar, semakin lemah ikatan antara H (proton) dengan atom halogen, semain mudah lepas ikatan antara H dengan halogen dan semakin kuat asam halida tersebut.
3b. Efek Keelektronegatifan
Keasaman meningkat dari kiri ke kanan ketika membandingkan senyawa seperiode dalam tabel periodik. Alasannya kini berbeda dengan fenomena pada asam halida tadi.
Kekuatan ikatan untuk senyawa hidrida seperiode agak beragam, faktor dominan yang mempengaruhi keasaman adalah elektronegativitas atom yang terikat pada hidrogen.
Keelektronegatifan atom ini mempengaruhi keasaman dalam dua cara, yaitu pengaruh polaritas ikatan ke proton dan pengaruh stabilitas relatif anion (basis konjugat) yang terbentuk ketika proton hilang.
Karena F adalah yang paling elektronegatif (dari kiri kanan keelektronegatifan semakin besar), ikatan H–F paling terpolarisasi, dan proton dalam HF adalah yang paling positif. Oleh karena itu, HF kehilangan proton paling mudah sehingga paling asam dibanding senyawaan hidrida seperiode.
Ingat bahwa semakin kuat sifat asamnya maka semakin lemah anion yang dihasilkan. Anion dengan sifat basa paling kuat biasanya relatif tidak stabil (mudah bereaksi atau menyerang spesi lain). Sifat basa CH3– > NH2– > OH– > F–.
3c. Efek Hibridisasi
Kekuatan asam/basa juga dipengaruhi oleh bentuk hibridisasi atom pusat yang dibandingkan. Umumnya atom pusat dengan hibridisasi sp sifatnya lebih asam dibandingkan yang berhibridisasi sp2 dan sp3. Ingat konsep asam/basa Lewis di atas dan juga tentang bahasan pengaruh karakter orbital s pada orbital hibrida yang pernah dibahas di sini. Yang memiliki karakter s lebih besar akan bersifat lebih elektronegatif dibanding yang lain.
Keasaman: CH≡CH > CH2=CH2 > CH3–CH3
Kebasaan dari anion: CH≡C:– < CH2=CH:– < CH3–CH2:–
3d. Efek Induktif
Efek induktif adalah efek elektronik yang ditransmisikan melalui ikatan pada gugus yang dapat berupa dorongan elektron atau penarikan elektron. tergantung apa yang terikatan pada spesi itu. Efek induktif melemah ketika jarak dari kelompok meningkat. Kasus pada ikatan CH3–CH2F, elektron akan ditarik lebih kuat ke F sehingga bila sampai lepas maka akan menghasilkan CH3–CH2+ yang lebih bersifat asam.
4. Kestabilan asam/basa konjugat.
Kekuatan asam/basa berhubungan langsung dengan kestabilan asam/basa konjugat.
Bicara basa lemah/kuat konjugat tentu ada hubungannya dengan keadaan kekuatan asam zat sebelumnya.
Bila asam-nya merupakan asam kuat akan menghasilkan basa lemah, basa lemah ini stabil dan merupakan gugus pergi yang baik. Beberapa contoh basa lemah: ion halida (I–, Br–, Cl–), air (H2O). Bila semula asamnya merupakan asam lemah maka akan menghasilkan basa kuat, tidak stabil dan merupakan gugus pergi yang jelek artinya sulit pergi/lepas.
Seperti yang dibahas oleh masterorganicchemistry ada 7 faktor yang menentukan kestabilan basa konjugat.
5. Reaksi yang paling mungkin, berdasarkan reaksi asam-basa.
Reaksi transfer proton (H+) sering merupakan langkah pertama dalam banyak reaksi yang dialami alkohol, eter, aldehida, keton, ester, amida, dan asam karboksilat.
Menentukan reaksi yang mungkin dari dua senyawa atau lebih dapat diprediksi berdasarkan bagian-bagian yang ada dalam setiap senyawa. Banyak reaksi yang mungkin terjadi tapi menentukan yang paling mungkin dengan dasar-dasar reaksi asam-basa relatif lebih jelas.
Contoh 1:
Reaksi alkilasi Friedel Crafts (reaksi dalam kimia organik) merupakan salah satu penerapan reaksi asam-basa Lewis
Contoh 2:
Reaksi adisi elektrofilik Markovnikov.
Pada reaksi ini juga menggunakan prinsip atau dasar reaksi asam basa.
Demikian sekelumit ulasan tentang peran sentral konsep asam basa yang dapat dijadikan dasar banyak reaksi kimia organik. CMIIW.
Referensi: Organic Chemistry, Tenth Edition: T.W. Graham Solomons dan Craig B. Fryhle, 2011
Sumber https://www.urip.info/
Seperti tulisan sebelumnya tentang simpul dalam reaksi kimi organik, berikut ini fokus konsep asam-basa pada spesi yang sering terlibat dalam reaksi-reaksi kimia organik.
Kutipan kalimat berikut dari Buku Organic Chemistry Solomon dan Fryhle:
Jika kita menguasai kimia asam-basa, kita akan dapat memahami sebagian besar reaksi kimia organik, dan dengan memahami bagaimana reaksi terjadi, kita akan dapat belajar dan mengingatnya dengan lebih mudah.
Begitu pentingnya bahasan asam-basa ini hingga dapat dijadikan sebagai kunci untuk mempelajari kimia organik, setidaknya dapat dijadikan penyemangat bahwa kimia organik itu dapat dinalar, tidak mutlak hafalan.Maksud dari kata kimia asam-basa di sini adalah bahasan asam-basa berdasarkan teori Bronsted-Lowry dan teori asam-basa yang lebih luas, yaitu teori asam-basa Lewis. Mengapa hal ini begitu penting?
Beberapa Hal Prinsip
1. Asam-basa Bronsted-Lowry.
Yang dimaksud asam menurut Bronsted-Lowry, spesi yang dapat menyumbangkan/melepaskan proton (H+) kepada spesi lain, sedangkan basa adalah spesi yang dapat menerima proton dari spesi lain.
| HCl | + | NH3 | → | NH4+ | + | Cl– |
|---|---|---|---|---|---|---|
| asam | basa | asam konjugat dari NH3 | basa konjugat dari HCl |
2. Asam-basa Lewis
Yang dimaksud basa menurut Lewis, spesi yang dapat menyumbangkan/melepaskan pasangan elektron bebas (PEB) yang ia memiliki kepada spesi lain, sedangkan asam adalah spesi yang dapat menerima PEB dari spesi lain.
| AlCl3 | + | NH3 | → | AlCl3NH3 |
|---|---|---|---|---|
| asam Lewis | basa Lewis |
Syarat sebagai basa Lewis harus memiliki PEB, syarat sebagai asam Lewis harus mempunyai orbital kosong yang akan digunakan untuk menampung PEB dari pendonor.
Syarat-syarat ini sayangnya tidak selalu nampak dalam rumus kimia suatu spesi. Oleh karena itu kuncinya adalah memahami struktur Lewis setiap spesi itu.
Misalnya (CH3)3C+, (CH3)2NCH2CH3, (CH3)3B, (CH3)3P, Br–. Manakah yang berpotensi untuk berperan sebagai asam Lewis dan manakah yang dapat berperan sebagai basa Lewis?
Dengan tahu struktur Lewis maka menjadi lebih mudah untuk ditentukan.
Atom C pusat yang "miskin elektron" berperan sebagai asam Lewis yang kemudian bisa disebut sebagai elektrofil. Asam Lewis akan stabil hingga ada elektron yang mengisi orbital kosongnya. Atom C dengan orbital hibrida sp atau sp2 biasanya seperti itu.
Untuk basa Lewis kemudian bisa saja disebut nukleofil, ia akan mencari atom-atom yang bermuatan positif atau atom lain yang memang miskin elektron.
3. Membandingkan kekuatan asam/basa suatu spesi
Kekuatan asam atau basa dapat ditinjau dari nilai Ka (tetapan ionisasi asam) atau Kb (tetapan ionisasi basa) dari asam/basa Bronsted Lowry.
Bila diketahui nilai-nilai tersebut maka dapat ditentukan mana asam yang relatif lebih kuat atau sebaliknya dan manakah basa yang relatif lebih lemah dan sebaliknya.
Semakin besar Ka artinya asam tersebut lebih banyak yang terurai, [H+] semakin besar pula. Ingat persamaan kesetimbangan asam basa.
HA ⇌ H+ + A–;
Ka = [H+][A–] / [HA]
Analog dengan Ka untuk Kb juga mirip seperti itu. Semakin besar nilai Kb maka semakin kuat kebasaannya.
Karena nilai Ka atau Kb termasuk angka kecil maka dibuatlah besaran yang disebut pKa atau pKb. pKa = –log Ka dan pKb = –log Ka
Bila Ka semakin besar maka sifat keasaman zat dalam larutan akan semakin kuat maka berdasarkan nilai pKa ia justru akan semakin kecil.
Bagaimana bila data Ka untuk Kb tidak diketahui? Di sinilah yang biasa menjadi "keasyikan" tersendiri dalam mempelajari reaksi-reaksi kimia organik.
Salah satu yang dapat digunakan sebagai prediksi kekuatan asam atau basa adalah dengan mengamati struktur molekul. Mengamati trend/pola keeelektronegatifan atom pusat dan juga atom luar. Selain itu perlu memahami dengan baik tentang struktur Lewis.
3a. Efek Kekuatan Ikatan
Misalnya fenomena kekuatan sesama asam halida (HF, HCl, HBr, HI). Semakin tidak efektif orbital yang tumpang tindih antara orbital 1s hidrogen dengan orbital unsur-unsur yang lebih besar, semakin lemah ikatan antara H (proton) dengan atom halogen, semain mudah lepas ikatan antara H dengan halogen dan semakin kuat asam halida tersebut.
3b. Efek Keelektronegatifan
Keasaman meningkat dari kiri ke kanan ketika membandingkan senyawa seperiode dalam tabel periodik. Alasannya kini berbeda dengan fenomena pada asam halida tadi.
Kekuatan ikatan untuk senyawa hidrida seperiode agak beragam, faktor dominan yang mempengaruhi keasaman adalah elektronegativitas atom yang terikat pada hidrogen.
Keelektronegatifan atom ini mempengaruhi keasaman dalam dua cara, yaitu pengaruh polaritas ikatan ke proton dan pengaruh stabilitas relatif anion (basis konjugat) yang terbentuk ketika proton hilang.
Karena F adalah yang paling elektronegatif (dari kiri kanan keelektronegatifan semakin besar), ikatan H–F paling terpolarisasi, dan proton dalam HF adalah yang paling positif. Oleh karena itu, HF kehilangan proton paling mudah sehingga paling asam dibanding senyawaan hidrida seperiode.
Ingat bahwa semakin kuat sifat asamnya maka semakin lemah anion yang dihasilkan. Anion dengan sifat basa paling kuat biasanya relatif tidak stabil (mudah bereaksi atau menyerang spesi lain). Sifat basa CH3– > NH2– > OH– > F–.
3c. Efek Hibridisasi
Kekuatan asam/basa juga dipengaruhi oleh bentuk hibridisasi atom pusat yang dibandingkan. Umumnya atom pusat dengan hibridisasi sp sifatnya lebih asam dibandingkan yang berhibridisasi sp2 dan sp3. Ingat konsep asam/basa Lewis di atas dan juga tentang bahasan pengaruh karakter orbital s pada orbital hibrida yang pernah dibahas di sini. Yang memiliki karakter s lebih besar akan bersifat lebih elektronegatif dibanding yang lain.
Keasaman: CH≡CH > CH2=CH2 > CH3–CH3
Kebasaan dari anion: CH≡C:– < CH2=CH:– < CH3–CH2:–
3d. Efek Induktif
Efek induktif adalah efek elektronik yang ditransmisikan melalui ikatan pada gugus yang dapat berupa dorongan elektron atau penarikan elektron. tergantung apa yang terikatan pada spesi itu. Efek induktif melemah ketika jarak dari kelompok meningkat. Kasus pada ikatan CH3–CH2F, elektron akan ditarik lebih kuat ke F sehingga bila sampai lepas maka akan menghasilkan CH3–CH2+ yang lebih bersifat asam.
4. Kestabilan asam/basa konjugat.
Kekuatan asam/basa berhubungan langsung dengan kestabilan asam/basa konjugat.
Bicara basa lemah/kuat konjugat tentu ada hubungannya dengan keadaan kekuatan asam zat sebelumnya.
Bila asam-nya merupakan asam kuat akan menghasilkan basa lemah, basa lemah ini stabil dan merupakan gugus pergi yang baik. Beberapa contoh basa lemah: ion halida (I–, Br–, Cl–), air (H2O). Bila semula asamnya merupakan asam lemah maka akan menghasilkan basa kuat, tidak stabil dan merupakan gugus pergi yang jelek artinya sulit pergi/lepas.
Seperti yang dibahas oleh masterorganicchemistry ada 7 faktor yang menentukan kestabilan basa konjugat.
- Spesi tertentu dengan muatan semakin tinggi maka semakin tidak stabil;
- Keelektronegatifan semakin tinggi semakin stabil untuk spesi dalam periode yang sama;
- Polarisasi semakin besar semakin stabil spesi yang bermuatan negatif itu, untuk spesi segolongan dari atas ke bawah dalam tabel periodik unsur;
- Semakin banyak jumlah struktur resonansi semakin stabil;
- Adanya efek induksi pada gugus penarik elektron (keelektronegatifan tinggi) akan menstabilkan basa konjugat, semakin banyak gugus penarik elektron maka semakin stabil;
- Orbital hibrida sp3 kurang stabil dibandingkan sp2 dan sp, spesi basa yang memiliki orbital hidrida sp paling stabil;
- Aromatisitas, spesi basa yang memiliki struktur aromatis akan lebih stabil dibanding yang tidak aromatis.
5. Reaksi yang paling mungkin, berdasarkan reaksi asam-basa.
Reaksi transfer proton (H+) sering merupakan langkah pertama dalam banyak reaksi yang dialami alkohol, eter, aldehida, keton, ester, amida, dan asam karboksilat.
Menentukan reaksi yang mungkin dari dua senyawa atau lebih dapat diprediksi berdasarkan bagian-bagian yang ada dalam setiap senyawa. Banyak reaksi yang mungkin terjadi tapi menentukan yang paling mungkin dengan dasar-dasar reaksi asam-basa relatif lebih jelas.
Contoh 1:
Reaksi alkilasi Friedel Crafts (reaksi dalam kimia organik) merupakan salah satu penerapan reaksi asam-basa Lewis
| R-Cl | + | AlCl3 | → | R+ | + | AlCl4– |
| Basa Lewis | Asam Lewis |
Contoh 2:
Reaksi adisi elektrofilik Markovnikov.
Pada reaksi ini juga menggunakan prinsip atau dasar reaksi asam basa.
Referensi: Organic Chemistry, Tenth Edition: T.W. Graham Solomons dan Craig B. Fryhle, 2011
Sumber https://www.urip.info/