Pertemuan ke 5

ISOMERI STRUKTUR SENYAWA HIDROKARBON DAN SISTIM NOMENKLATUR

1.      Sistem nomenklatur

Pada tahun 1800, pada awal kimia organik baru muncul, semua senywa organik yang ditemukan belum diketahui strukturnya dan untuk mengindentifikasinya harus diberi nama. Para ahli kimia yang memberi nama senyawa organik tersebut lebih menekankan pada sifatnya, asalnya, atau sekadar memuaskan penemunya. 

Ketika banyak senyawa yang ditemukan atau yang disintesis (sekarang senyawa organik lebih dari dua juta jenis) terasa makin sukar memberi nama senyawa organik dengan nama trivial. Untuk mengatasi hal tersebut, pada tahun 1892 di jenewa para ahli kimia membuat suatu peraturan untuk tata nama kimia organik. Nama-nama itu disebut nama sistematik. Sistem yang dikembangkan itu disebut sistem nomenklatur IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) suatu perkumpulan para ahli kimia yang bertugas memperbarui dan memperbaiki sistem ini secara berkala.

Sistem nomenklatur dibagi menjadi tiga bagian yaitu :
1. Awalan (Prefix) 
2. Induk (Parent) 
3.  Akhiran (sufix)



contoh dari Nomenklatur :

2.      Isomer struktural

Isomer struktural adalah isomer yang berbeda dari susunan/urutan atom-atom terikat satu sama lain. Contoh yang disebutkan di atas termasuk kedalam isomer struktural. Walaupun komposisi jumlah atom sama persis, belum tentu molekul-molekul isomer struktural mempunyai sifat yang sama. Terdapat tiga jenis isomer yaitu :

1.      Isomer Struktur

Isomer yang memiliki rumus molekul yang sama namun mempunyai struktur yang berbeda. Isomer-isomer ini muncul karena adanya kemungkinan dari percabangan rantai karbon. Contoh dari isomer struktur yaitu butana dan isobutana. Atom-atom karbon pada n-butana (normal butana) membentuk rantai lurus, sedangkan pada isobutana membentuk rantai bercabang.

Contoh dari isomer struktur :

·        




2.  Isomer posisi

Isomer posisi  terdapat pada senyawa bergugus fungsi. Keisomeran posisi terjadi karena perbedaan posisi gugus fungsi pada rantai atom karbon dalam senyawa-senyawa karbon yang berumus molekul dan gugus fungsi sama.

Contoh :

·     



















3.    Isomer fungsi

Keisomeran fungsi terjadi karena perbedaan jenis gugus fungsi dalam molekul-molekul senyawa karbon yang berumus molekul sama. Di artikel sebelumnya telah dipelajari 4 pasangan homolog yang berisomer fungsi sebagai berikut.

•     Alkuna berisomer fungsi dengan alkadiena, rumus umumnya CnH2n-2.

•     Alkohol berisomer fungsi dengan eter, rumus umumnya CnH2n+2

•     Aldehid berisomer fungsi dengan keton, rumus umumnya CnH2n

•     Asam karboksilat berisomer fungsi dengan ester, rumus umumnya CnH2nO2.


contoh dari isomer fungsi:

3.      Isomer alkana

Isomer alkana adalah senyawa yang mempunyai rumus struktur berbeda. Isomer alkana dimulai pada senyawa dengan jumlah atom C sebanyak 4. 

Contoh

Senyawa dengan rumus molekul C₄H₁₀ mempunyai dua struktur yang berbeda, yaitu:

Atau jika diungkapkan dalam bentuk model molekul

Perbedaan antara senyawa n-butana (baca: normal butana) dengan metil propana adalah pada kerangka rantai karbonnya. Rantai n-butana tidak bercabang, sedangkan metil propana rantainya bercabang pada atom C-2. Perbedaan struktur kedua senyawa tersebut mengakibatkan kedua sifat, di mana titik didih n-butana adalah -0,4^oC sedangkan titik didih metil propana adalah -11,6^oC.

Semakin banyak jumlah atom karbon penyusun alkana, semakin banyak jumlah isomer alkana.

Tabel: Jumlah isomer alkana dari beberapa senyawa

Jumlah atom C	4	5	6	7	8	9	10	15
Rumus molekul	C4H10	C5H12	C6H14	C7H16	C8H18	C9H20	C10H22	C15H32
Jumlah isomer	2	3	5	9	18	35	75	4,347

KLASIFIKASI SENYAWA ORGANIK

KLASIFIKASI SENYAWA ORGANIK

Klasifikasi senyawa organik. Ada jutaan senyawa organik dan ini sangat idak mungkin untuk mempelajari setiap senyawa tersebut. Untuk mempermudah pembelajaran, senyawa organik diklasifikasikan ke dalam berbagai kelompok dan sub-kelompok. Secara umum, senyawa organik dikategorikan sebagaimana dalam pembahasan berikut ini.

Secara luas senyawa organik diklasifikasikan ke dalam kelas berikut:

a.     Senyawa rantai terbuka

Senyawa rantai terbuka juga disebut senyawa alifatik. Alifatik berasal dari bahasa Yunani aleiphar yang berarti lemak, sebagaimana senyawa ini sebelumnya diperoleh dari lemak hewani atau nabati, atau memiliki sifat seperti lemak. Senyawa alifatik adalah senyawa yang mengandung karbon dan hidrogen yang bergabung bersama dalam rantai lurus, bercabang atau cincin non-aromatik. Senyawa ini digunakan sebagai inhibitor korosi.

Contoh senyawa rantai lurus:

CH₃– CH₂ – CH₂ – CH₃ 

   

CH₃– CH₂ – CH₂ – CH₂ – OH 

H₂C  = CH₂

Contoh senyawa rantai bercabang :

Sifat Senyawa alifatik

·     A. Jenuh adalah senyawa alifatik yang rantai C nya terdapat ikatan rangkap tunggal dinamakan alkana.
B. Tak jenuh adalah senyawa alifatik yang rantai C nya terdapat ikatan rangkap dua atau rangkap tiga. Jika memiliki rangkap dua dinamakan alkena dan memiliki rangkap tiga alkuna(Gambar 1.1).

Gambar 1.1 contoh dari alifatik jenuh dan alifatik tak jenuh

Selain hidrogen, elemen lain dapat terikat pada rantai karbon, yang paling umum adalah oksigen / nitrogen / sulfur dan klor. Senyawa alifatik yang paling sederhana adalah metana (CH₄). Senyawa alifatik bisa asiklik atau siklik, tetapi bukan senyawa karbon aromatik. Sebagian besar mudah terbakar, yang memungkinkan digunakan dalam hidrokarbon sebagai bahan bakar, seperti metana dalam pembakar Bunsen dan gas alam cair (LNG), dan asetilena dalam pengelasan.

Kelompok terpenting dalam senyawa alifatik adalah:

• ·         n-, Iso- dan Siklo-Alkana (Senyawa hidrokarbon jenuh)
• ·         n-, Iso- dan Siklo-Alkena dan -Alkuna (Senyawa hidrokarbon tak jenuh).

b.       Senyawa rantai tertutup

Senyawa ini mengandung satu atau lebih rantai tertutup (cincin) dan dikenal sebagai senyawa siklik atau cincin. Dibedakan atas homosiklik dan heterosiklik.

·      1.  Senyawa homosiklik

Senyawa-senyawa di mana cincin hanya terdiri dari atom karbon disebut senyawa homosiklik. Senyawa homosiklik atau senyawa karbosiklik dibagi lagi menjadi senyawa alisiklik dan senyawa aromatik.

a. senyawa alisiklik

Sebuah cincin beranggota tiga atau lebih atom karbon menyerupai senyawa alifatik seperti dalam senyawa homosiklik disebut senyawa alisiklik. Hidrokarbon alisiklik jenuh memiliki rumus umum Cn H₂n. Contoh senyawa alisiklik adalah siklopentana, siklobutana, sikloheksana (gambar 1.2).

gambar 1.2 contoh dari senyawa alisiklik

b.      Senyawa aromatik

Senyawa ini mengandung cincin benzena yaitu sebuah cincin dari enam atom karbon dengan ikatan ganda dan tunggal yang berselang-seling. Disebut senyawa aromatik karena banyak dari mereka yang memiliki bau yang harum (gambar 1.3).

Gambar 1.3 contoh dari senyawa aromatik

·     2.   Senyawa heterosiklik

Ketika lebih dari satu jenis atom berada dalam satu senyawa cincin, mereka dikenal sebagai senyawa heterosiklik (gambar 1.4). Dalam senyawa ini umumnya satu atau lebih atom unsur seperti nitrogen 'N', oksigen 'O', atau sulfur 'S' ada di dalam cincin. Atom selain karbon yaitu N, O atau S yang ada dalam cincin disebut heteroatom. Senyawa heterosiklik banyak terdapat di alam sebagai suatu alkaloid (seperti, morfin, nikotin dan kokain), asam-asam nukleat (pengemban kode genetik), dan senyawa biologi lainnya(gambar 1.5).

Gambar 1.4 contoh senyawa heterosiklik

Gambar 1.5 contoh senyawa heterosiklik terdapat dialam sebagai alkaloid

TUGAS TERSTRUKTUR

TUGAS TERSTRUKTUR

1.      Menurut Louis de Broglie bahwa elektron mempunyai sifat gelombang sekaligus juga partikel. Jelaskan keterkaitannya dengan teori mekanika kuantum dan teori orbital molekul?

Jawab :

Pada tahun 1924, Louis de Broglie, menjelaskan bahwa cahaya dapat berada dalam suasana tertentu yang terdiri dari partikel-partikel, kemungkinan berbentuk partikel pada suatu waktu sehingga untuk menghitung panjang gelombang satu partikel Argumen de Broglie menghasilkan hal sebagai berikut.

Einstein : E = mc2

Max Planck : E = h · ʋ

sehingga untuk menghitung panjang gelombang satu partikel diperoleh :

λ = h / (m . ʋ)

h = tetapan Planck (6,626 × 10–34 Joule s)

Hipotesis de Broglie terbukti benar dengan ditemukannya sifat gelombang dari elektron. Elektron mempunyai sifat difraksi seperti halnya sinar–X. Sebagai akibat dari dualisme sifat elektron sebagai materi dan sebagai gelombang, maka lintasan elektron yang dikemukakan Bohr tidak dapat dibenarkan. Gelombang tidak bergerak menurut suatu garis, melainkan menyebar pada suatu daerah tertentu.

Kemudian  pada tahun 1926 Erwin Schrodinger dan Werner Heisenberg mengemukakan teori bahwa lokasi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan secara pasti, yang dapat ditentukan hanyalah daerah Kemungkinan keberadaan elektron. Oleh karena keberadaan elektron diperkirakan dengan mekanika kuantum maka teori ini disebut teori atom mekanika kuantum. Pada teori atom mekanika kuantum, untuk menggambarkan posisi elektron digunakan bilangan-bilangan kuantum.

Elektron dalam orbital yang bergerak dengan cepat akan membentuk suatu awan elektron. Awan elektron ini memberikan deskripsi peluang terbesar tempat elektron berada. Gerakan elektron pada tiap orbital membentuk awan dengan pola tertentu misalnya menyerupai bola, bola terpilin atau bentuk lainnya. Gerakan elektron yang sangat cepat ini membentuk ketebalan yang berbeda di tiap ruang orbital. Semakin tebal awan elektron semakin besar peluang elektron untuk ditemukan begitupun sebaliknya. Menurut persamaan fungsi gelombang Schrodinger, distribusi elektron dalam orbital dapat ditentukan melalui 3 bilangan kuantum yaitu :

·         Bilangan Kuantum Utama ( n = nomor lintasan elektron / kulit )

·         Bilangan Kuantum Azimut ( l = menunjukkan sub – lintasan / sub – kulit ) 

·         Bilangan Kuantum Magnetik ( m = harga orbital )

2.      Bila absorbsi sinar UV oleh ikatan rangkap menghasilkan promosi elektron ke orbital yang berenergi lebih tinggi. Transisi elektron manakah memerlukan energy terkecil bila sikloheksana berpindah ke tingkat tereksitasi

Jawab :

Penyerapan sinar tampak atau UV menyebabkan terjadinya eksitasi molekul dari ground state (energi dasar) ke tingkat Exited state (energi yang lebih tinggi. Pengabsorbsian sinar UV atau sinar tampak oleh suatu molekul menghasilkan eksitasi elektron bonding. Akibatnya panjang gelombang absorbsi maksimum dapat dikorelasikan dengan jenis ikatan yang ada dalam molekul yang diselidiki. Oleh karena itu spektroskopi serapan molekul berguna untuk mengidentifikasi gugus fungsional yang ada dalam suatu molekul. Akan tetapi yang lebih penting adalah penggunaan spektroskopi serapan UV dan sinar tampak untuk penentuan kuantitatif senyawa-senyawa yang mengandung gugus pengabsorbsi.

Pada zat-zat pengabsorbsi ini berkaitan dengan jenis orbital tersebut maka, jenis-jenis transisi elektronik dibedakan menjadi empat macam, yakni:

1) Transisi σ → σ*

2) Transisi π → π*

3) Transisi n → π*

4) Transisi n → σ*

Keterangan

 σ : senyawa-senyawa yang memiliki ikatan tunggal

 π : senyawa-senyawa yang memiliki ikatan rangkap

 n menyatakan orbital non-ikatan: untuk senyawa-senyawa yang memiliki elektron bebas.

σ* dan π* merupakan orbital yang kosong (tanpa elektron), orbital ini akan terisi elektron ketika telah atau bila terjadi eksitasi elektron atau perpindahan elektron atau promosi elektron dari orbital ikatan.

Sikloheksana adalah sikloalkana dengan rumus molekul C₆H₁₂. Pada zat- zat pengabsorbsi ini berkaitan dengan tiga jenis elektron. Dimana yang meliputi molekul atau ion organic. Penyelidikan spektroskopi senyawa-senyawa organic dilakukan pada daerah UV yang paling panjang ikatan gelombangnya. Bila dua orbital bergabung maka salah satu orbital yang berenergi lemah atau orbital yang berenergi tinggi yang dapat dihasilkan.

ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

Orbital dan peranannya dalam ikatan kovalen

A.    Orbital hibrida dari nitrogen dan oksigen

1)      Amina

Molekul amina mengandung atom nitrogen sp³ yang terikat pada tiga atom hydrogen. Molekul amina mempunyai struktur yang sama: suatu atom nitrogen sp³ terikat pada satu atau lebih atom karbon. Dalam amina atau ammonia, nitrogen mempunyai satu orbital yang terisi dengan sepasang elektron valensi menyendiri.

Pasangan elektron menyendiri dalam orbital terisi pada nitrogen dari ammonia dan amina memungkinkan senyawa ini berfungsi sebagai basa. Bila amina diperlakukan dengan asam, elektron yang takterbagi digunakan untuk membentuk ikatan sigma dengan asam. Hasilnya adalah garam amina. 

Analog dengan karbon, maka dapat diharapkan bahwa sudut ikatan H-N-H dalam NH₃ adalah 109,5˚.  Percobaan menunjukan bahwa hal ini tidak demikian, sudut ikatan dalam NH₃ adalah 107,3˚. Suatu keterangan untuk ini adalah bahwa sudut ikatan ditekan oleh orbital yang terisi dengan elektron menyendiri yang besar ukurannya.(karena elektron dalam orbital terisi ditarik hanya kesatu inti saja dan buakan kedua inti, maka mereka terikat kurang kuat ; karena itu, orbital yang terisi lebih besar dari pada orbital sigma N-H). (gambar 2.2)

gambar 2.2 ikatan dalam amonia dan dalam dua amina

2)      Air, alcohol, dan eter

Seperti karbon dan nitrogen, oksigen membentuk ikatan dengan orbital hibrida sp³. Karena oksigen mempunyai enam elektron ikatan, ia membentuk dua ikatan kovalen dan mempunyai dua orbital.

Air adalah contoh seenyawa yang mengandung oksigen sp³. Sudut ikatan dalam air telah ditentukan yaitu sebesar 104,5˚ dan bukan 109,5˚ yang ideal. Diperkirakan bahwa orbital dengan elektron menyendiri menekan sudut ikatan H-N-H.

Ada sejumlah senyawa organic yang mengandung atom oksigen sp³. Untuk sekarang akan ditinjau hanya dua, yaitu alcohol dan eter: ROH dan ROR’. Ikatan terhadap oksigen dalam alcohol dan eter adalah langsung analog denga ikatan dalam air. Dalam setiap keadaan, oksigen terhibridasi sp³ dan mempunyai dua pasang elektron valensi menyendiri.

3)      Senyawa karbonil

Gugus karbonil (C=O) mengandung atom karbon sp² yang dihubungkan dengan atom oksigen oleh ikatan rangkap. Orang cenderung berpendapat bahwa oksigen karbonil berada dalam keadaan hibrida sp² seperti halnya dengan karbonil ; namun demikian ahli kimia tak terlalu yakin dengan hibridasi oksigen karbonil, karena tak ada sudut ikatan yang dapat diukur.

Geometri gugus karbonil ditentukan oleh karbon sp² trigonal. Ikatan C-O mengandung sepasang elektron pi tersingkap. Oksigen juga mempunyai dua pasang elektron menyendiri.

Gugus karbonil merupakan bagian dari macam-macam gugus fungsi. Gugus fungsi dan golongan senyawa ditentukan oleh atom lainyang terikat pada karbon karbonil. Bila salah satu dari atom terikat pada karbon karbonil adalah hydrogen, maka senyawa tersebut adalah aldehida. Bila dua karbon terikat pada karbon karbonil, maka senyawanya adalah keton. Asam karboksilat, dimana gugus OH terikat pada gugus karbonil.

B.    Ikatana Rangkap Terkonjugasi

 Molekul organik dapat mengandung lebih dari satu gugus fungsi. Dalam kebanyakan senyawa polifungsional, setiap gugus fungsi tak bergantung dari yang lain ; meskipun demikian, tak selalu demikian halnya. Pandanglah beberapa senyawa dengan ikatan rangkap karbon-karbon lebih dari satu.

Ada dua cara pokok untuk menempatkan ikatan rangkap dalam senyawa organi. Dua ikatan rangkap yang bersumber pada atom berdampingan disebut ikatan rangkap terkonjugasi.  Ikatan rangkap yang menggabungkan atom yang tak berdampingan disebut ikatan rangkap terisolasi (terpencil), atau tak terkonjugasi.

ikatan rangkap terkonjugasi 

ikatan rangkap yang menggabungkan atom yang tak berdampingan disebut ikatan rangkap terisolasi (terpencil), atau tak terkonjugasi.

ikatan rangkap terpencil

\\

Ikatan rangkap  terisolasi berkelakuan mandiri; masing-masing ikatan rangkap mengalami reaksi seakan-akan yang lain tak ada. Ikatan rangkap terkonjugasi, sebaliknya, tak saling mandiri yang satu terhadap yang lain, ada antaraksi elektronik yang terdapat antara nya. Pilihan sistem  terkonjugasi  yang paling sederhana, CH₂ =CH-CH=CH₂ yang disebut 1 ,3-butadiena, untuk membahas gejala ini.

C.     Benzena

Benzena ( C₆H₆) adalah senyawa siklik dengan enam atom karbon yang trgabung dalam cincin. Setiap atom karbon terhibridisasi sp² dan cincinnya adalan planar. Setiap atom karbon memepunyai satu atom hydrogen yang terikat padanya, dan setiap atom karbon juga mempunyai orbital p tak terhibridasi tegak lurus terhadap bidang ikatan sigma dari cincin. Masing-masing dari keenam orbital p ini dapat menyumbangkan satu elektron untuk ikatan pi.

pandangan samping yang menunjukan orbital p 

(semua sefase)

Dari panjang ikatan ditambah sekumpulan bukti lain yang disajikan dalam bab-bab berikut, para ahli kimis berkesimpulan bahwa benzena adalah molekul simetrik dan bahwa masing-masing dari enam ikatan cincin adalah sama dengan ikatan cincin lainnya. Daripada ikatan rangkap dan tunggal yang saling bergantian, keenam elektron pi terdelokalisasi sempurna dalam awan muatan elektron yang berbentuk seperti kue donat. Awan elektron pi ini disebut awan pi aromatic dari pi.

 Benzena adalah salah satu dari  golongan senyawa aromatic,  senyawa yang mengandung awan pi aromatic. Dari sejarah, istilah “aromatic” diturunkan dari fakta bahwa banyak dari senyawa ini mempunyai bau yang khas.

 D.    Resonasi

Metana (CH₄)  dan etilena (CH₂=CH₂) adalah contoh dari senyawa organic dengan struktur yang dapat digambarkan secara beralasan dengan menggunakan rumus ikatan velensi tunggal (artinya dengan menggunakan garis untuk pasanagn elektron ikatan). Dalam setiap hal, suatu garis yang menghubungkan dua lambang atom menyatakan ikatan kovalen antara dua atom.

Kedua rumus ikatan valensi untuk benzana ini disebut rumus kekule untuk menghormati friedrich august kekule, yang mengusulkannya pertama kali dalam tahun 1972. Usulan kekule yang asli adalah cemerlang, tetapi sayang sekali kurang tepat. Pendapatnya adalah bahwa kedua struktur dari benzena bergeser  maju balik dengan demikian cepatnya, sehingga tak ada yang dapat diisolasi secara mandiri satu dari yang lain. Kedua struktur kekule dikatakan ada dalam resonasi yang satu dengan yang lain.; dengan alasan ini, struktur kekule disebut juga sebgai lambang resonasi atau struktur resonasi, untuk benzene. Kita sekarang mengetahui bahwa benzene tak bergeser antara dua struktur yang berbeda; struktur nyata dari benzena merupakan komposit dari dua struktur resonasi. Dapat dikatakan bahwa benzene adalah hibrida resonasi dari dua struktur resonasi.

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah bahwa lambang resonasi bukan struktur nyata; struktur nyata adalah gabungan dari semua lambang resonasi. Banyak ahli kimia membuang anologi bahwa badak (suatu bunatang nyata) dapat digambarkan sebagai hibrida resonasi antara unicorn ke naga, melainkan merupakan binatang dengan karakteristik unicorn dan naga kedua-duanya.

Untuk menunjukan bahwa dua atau lebih rumus dapat menggambarkan struktur resonasi (khayalan) dan bukan struktur nyata dalam kesetimbangan, digunakan pana berkepala dua ( ↔). Sebaliknya, suatu kesetimbangan dinyatakan oleh dua panah.

Sumber: Fessenden Ralp J, Joan S. Fessendden. 2005. Kimia Organik Jilid 1 Edisi Ketiga.    Terjemahan A.H Pudjaatmaka. Erlangga: Jakarta