Pembentukan dan Reaktivitas Senyawa Organometalik

Senyawa Organometalik

Senyawa organometalik atau organologam merupakan senyawa dimana minimal terdapat satu atom karbon dari gugus organik yang berikatan langsung dengan logam pusat. Istilah organologam biasanya didefinisikan agak longgar, dan senyawa yang mengandung ikatan karbon dengan fosfor, arsen, silikon ataupun boron termasuk dalam kategori ini. Tetapi untuk senyawa yang mengandung ikatan antara atom logam dengan oksigen, belerang, nitrogen ataupun dengan suatu halogen tidak termasuk sebagai senyawa organologam. Sebagai contoh suatu alkoksida seperti (C3H7O4)Ti tidaklah termasuk senyawa organologam, karena gugus organiknya terikat pada Ti melalui atom oksigen. Sedangkan senyawa (C6H5)Ti(OC3H7)3 adalah senyawa organologam karena terdapat satu ikatan langsung antara karbon C dari gugus fenil dengan logam Ti. Dari bentuk ikatan pada senyawa organologam, senyawa ini dapat dikatakan sebagai jembatan antara kimia organik dan anorganik (Cotton dan Wilkinson, 1989). Terdapat dua macam ikatan organologam, yaitu :

1)      Ikatan ionik.

Ikatan ionik organologam terbentuk dari unsur yang sangat elektropositif yaitu unsur pada golongan I, II, dan III. Organologam dengan yang berikatan secara ionik bersifat tak larut dalam pelarut hidrokarbon dan mudah teroksidasi.

2)      Ikatan kovalen

Ikatan kovalen organologam  yang mudah menguap terbentuk dari logam Zn, Cd, Hg, dan logam non-transisi gologan III (kecuali aluminium), IV, dan V. Ikatan kovalen ini terbentuk dengan cara memberikan satu elektron tunggalnya, baik dari logam maupun unsur organiknya, untuk dipakai secara bersama. Sifat dari senyawa organologam dengan ikatan kovalen ini mudah menguap, larut dalam pelarut organik, dan tidak larut dalam air.

 Sifat Fisik dan Sifat Kimia

1.      Senyawaan ionik dari logam elektropositif

Senyawaan organologam dari logam yang sangat elektropositif biasanya ionik, tidak larut dalam pelarut hidrokarbon, dan sangat reaktif terhadap udara, air, dan sejenisnya. Kestabilan dan kereaktifan senyawaan ionic ditentukan dalam satu bagian oleh kestabilan ion karbon. Senyawaan yang mengandung anion tidak stabil (misalnya C_nH_2n+1^-) umumnya sangat reaktif dan seringkali tidak stabil dan sulit diisolasi. Garam logam ion-ion karbon yang kestabilannya diperkuat oleh delokalisasi rapatan electron lebih stabil meskipun tetap sangat reaktif ; contohnya adalah (C₆H₅)₃C^-Na⁺ dan (C₅H₅^-)₂Ca²⁺.

2.      Senyawaan terikat-σ

Senyawaan organo dimana sisa organiknya terikat pada suatu atom logam dengan suatu ikatan kovalen normal 2-elektron (sekalipun dalam beberapa kasus dengan sifat ionic yang dapat diterima) dibentuk oleh kebanyakan logam dengan keelektropositifan rendah dan tentu saja oleh unsure-unsur nonlogam. Hokum valensi normal diterapkan dalam kasus-kasus ini, dan terjadi substitusi parsial halide, hidroksida, dan sebagainya. Dalam kebanyakan senyawaan ini, ikatan terutama adalah kovalen dan kimiawinya dari kimiawi karbon sehubungan dengan factor-faktor berikut :

a.       Kemungkinan penggunaan orbital d yang lebih tinggi seperti dalam contoh, SiR₄ yang tidak tampak pada CR₄.

b.      Kemampuan donor alkil atau aril dengan pasangan electron menyendiri seperti dalam Pet₃, SMe₂, dan sebagainya.

c.       Keasaman Lewis sehubungan dengan kulit valensi yang tidak penuh seperti dalam ZnR₂.

d.      Pengaruh perbedaan keelektronegatifan antara ikatan-ikatan M-C atau C-C

Logam transisi dapat membentuk alkil sederhana atau aril, namun hal ini biasanya kurang stabil daripada senyawaan-senyawaannya dengan unsure-unsur golongan utama. Terdapat banyak senyawaan dimana terdapat ligan tambahan seperti CO atauPR₃.

3.      Senyawaan yang terikat secara nonklasik

Dalam banyak senyawaan organologam terdapat suatu jenis ikatan logam pada karbon yang tidak dapat dijelaskan dalam bentuk ikatan ionic atau pasangan elektron. Salah satu kelas alkil terdiri atas Li, Be, dan Al yang mempunyai gugus-gugus alkil berjembatan. Di sini, terdapat kekurangan elektron seperti dalam bor hidrida, dan ikatannya mirip jenis yang berpusat banyak. Kelas kedua yang jauh lebih besar terdiri atas senyawaan logam-logam transisi dengan alkena,  alkuna, benzene, dan system cincin lainnya seperti C₅H₅^-. Mula-mula akan diperlihatkan senyawaan organo dari unsure-unsur golongan utama, termasuk yang berikatan nonklasik, dan kemudian pada senyawaan logam transisi.

4.      Organologam biasanya disimpan dalam larutan dalam pelarut organik karena memiliki reaktivitas yang sangat tinggi (terutama dengan H ₂ O, O ₂ dll)

5.      Carbon-Metal (C-M) dari Organolithium dan organomagnesium (pereaksiGrignard memiliki ikatan σ antara atom C dan logam, ikatan tersebut sangat polar, dan  memiliki ikatan kovalen karena logam tersebut elektropositif.

6.      Pereaksi Grignard merupakan basa kuat karena memilki muatan negatif pada karbon.

  

Senyawa Organologam	SIFAT FISIK	SIFAT KIMIA
Organolithium	Berupa cairan atau padatan bertitik leleh rendah, dan berupa kristal putih (metillithium); Larut dalam senyawa hidrokarbon dan cairan nonpolar; Tingkat penguapan tinggi.	Lebih reaktif dibandingkan pereaksi grignard; Bereaksi cepat dengan oksigen, biasanya secara spontan menyala dalam udara, dengan cairan air, dan dengan uap air.
Organonatrium dan Organokalium	Tidak larut dalam senyawa hidrokarbon; Mudah menguap.	Sangat reaktif; Terhidrolisis kuat dalam air.
Organomagnesium	Berupa kristal	Reaktif; Mudah teroksidasi oleh udara; Mudah terhidrolisis.

  

Organomerkuri	Berupa padatan kristal; Lebih larut dalam cairan organik daripada air; Pada alkil atau aril cairan nonpolar, mudah menguap, beracun, tidak berwarna, padatan bertitik leleh rendah;	Zat kovalen nonpolar; Tidak reaktif terhadap udara dan air;
Organoaluminium	Berupa cairan	Reaktif; Tidak menyala dalam udara dan tidak meledak dalam air;

Reaksi-reaksi Senyawa Organologam

Reaksi Pembuatan Senyawa Organologam

Terdapat banyak cara untuk membentuk ikatan-ikatan logam antara karbon dengan logam transisi dan nontransisi. Beberapa yang penting adalah sebagai berikut:

1.  Reaksi logam langsung (Frankland, 1848)

     Mg   +   CH₃I   →   CH₃MgI

                                         eter

2.  Penggunaan zat pengalkilasi

     PCl₃   +   3C₆H₅MgCl →   P(C₆H₅)₃  + 3MgCl₂

     VOCl₃   +   3(CH₃)SiCH₂MgCl →   VO(CH₂SiMe₃)₃  + 3MgCl₂

      PtCl₂(Pet₃)₂   +   CH₃MgCl →   PtCl(CH3)(Pet₂)₂ + MgCl₂

3.  Interaksi hidrida logam atau nonlogam dengan alkena atau alkuna

     1/2 B₂H₆ + 3 C=C → B-(C=C)₃

4.  Reaksi oksidasiAdidi

Dimana alkil atau aril halida ditambahkan kepada senyawa logam transisi terkoordinasi tidak jenuh menghasilkan ikatan logam karbon.

RhCl(PPh₃)₃   +   CH₃I →   RhClI(CH3)(PPh₃)₂ + PPh₃

5.  Reaksi Inseri

Reaksi-reaksi senyawa organologam

Bagan 1. reaksi senyawa organologam dengan senyawa karbonil

Senyawa organometalik dapat dicontohkan pada reaksi reagen Grignard.

      Reaksi Grignard adalah reaksi kimia organologam di mana alkil - atau Aril-magnesium halides (reagen Grignard) menambah gugus karbonil Aldehida atau keton. Reaksi ini adalah alat penting untuk pembentukan ikatan antar karbon. Reaksi Halida organik dengan magnesium bukan reaksi Grignard, tetapi menyediakan peraksi Grignard. Pereaksi Grignard memiliki rumus umum RMgX dimana X adalah sebuah halogen, dan R adalah sebuah gugus alkil atau aril (berdasarkan pada sebuah cincin benzen). Pereaksi Grignard sederhana bisa berupa CH3CH2MgBr.

Sebuah contoh dari reaksi grignard

Reaksi dan pereaksi Grignard ditemukan oleh dan diberi nama sesuai dengan penemunya yaitu  kimiawan Perancis François Auguste Victor Grignard (Universitas Nancy, Perancis), yang dianugerahi Nobel Kimia tahun 1912 ini bekerja Grignard reagen mirip dengan menghasilkan reagen karena keduanya nukleofil kuat yang dapat membentuk ikatan antar karbon yang baru.

Reagen Grignard berfungsi sebagai nukleofil, menyerang atom karbon elektrofilik yang hadir dalam ikatan polar gugus karbonil. Penambahan pereaksi Grignard untuk karbonil biasanya hasil melalui keadaan transisi enam-beranggota cincin.

Mekanisme dari reaksi Grignard:

Namun, dengan pereaksi Grignard terhalang, reaksi dapat melanjutkan dengan transfer elektron tunggal. Jalur serupa diasumsikan untuk reaksi lain dari reagen Grignard, misalnya, dalam pembentukan ikatan antara karbon-fosfor, timah-karbon, karbon-silikon, boron-karbon dan karbon-heteroatom.

PERMASALAHAN :

1) Mengapa Organolitium lebih reaktif dari pada pereaksi grignard?

2) Apa yang menyebabkan organonatrium dan organokalium tidak larut dalam senyawa hidrokarbon?

3) Bagaimana senyawa ionik dari logam elektropositif pada senyawa organologam dapat terbentuk ? jelaskan!

Mekanisme Reaksi Adisi Elektrofilik pada Senyawa Organik Tak Jenuh

1)    REAKSI ADISI

Reaksi adisi adalah reaksi penggabungan dua atau lebih molekul menjadi sebuah molekul yang lebih besar dengan disertai berkurangnya ikatan rangkap dari salah satu molekul yang bereaksi akibat adanya penggabungan. Biasanya satu molekul yang terlibat mempunyai ikatan rangkap. Reaksi ini hanya terjadi hidrokarbon tak jenuh (alkena dan alkuna). Contoh reaksi adisi adalah reaksi antara etena dengan gas klorin membentuk 1,2-dikloroetana.

Reaksi adisi terjadi pada senyawa yang mempunyai ikatan rangkap dua atau rangkap tiga, senyawa alkena atau senyaw alkuna, termasuk ikatan rangkap karbon dengan atom lain. Dalam reaksi adisi, molekul senyawa yang mempunyai ikatan rangkap menyerap atom atau gugus atom sehingga ikatan rangkap berubah menjadi ikatan tunggal.

Alkena dan alkuna dapat mengalami reaksi adisi dengan hidrogen, halogen maupun asam halida (HX). Untuk alkena atau alkuna, bila jumlah atom H pada kedua atom C ikatan rangkap berbeda, maka arah adisi ditentukan oleh kaidah Markovnikov, yaitu atom H akan terikat pada atom karbon yang lebih banyak atom H-nya (“yang kaya semakin kaya”). (Pada reaksi ini berlaku hukum Markovnikov ”Atom H dari asam halida ditangkap oleh C berikatan rangkap yang mengikat atom H lebih banyak atau gugus alkil yang lebih kecil).

Contoh:

         

    Pada prinsipnya dalam reaksi ini terjadi pemutusan ikatan rangkap  dan ikatan yang terputus digantikan dengan mengikat atom atau gugus atom lain. dalam contoh di atas ikatan rangkap dua mengalami pemutusan kemudian digantikan dengan mengikat  -H dan -Cl dari HCl. cara pemilihan letak ikatan -H dan -Cl menggunakan aturan Markovnikov yakni "atom H akan terikat pada atom karbon yang lebih banyak H nya". pada contoh di atas atom C di sebelah kiri ikatan rangkap tidak mengikat H sedangkan atom C di sebelah kanan ikatan rangkap mengikat 1 atom H sehingga atom H dari HCl akan diikat oleh atom C di sebelah kanan ikatan rangkap dan Cl dari HCl akan diikat oleh aotm C di sebelah kirinya. aturan ini juga berlaku untuk reaksi adisi dengan senyawa lain selain HCl.

Reaksi adisi terjadi pada senyawa tak jenuh. Molekul tak jenuh dapat menerima tambahan    atau gugus dari suatu pereaksi. Dua contoh pereaksi yang mengadisi pada ikatan rangkap adalah brom dan hidrogen. Adisi brom biasanya merupakan reaksi cepat, dan sering dipakai sebagai uji kualitatif untuk mengidentifikasi ikatan rangkap dua atau rangkap tiga. Reaksi adisi secara umum dapat digambarkan sebagai berikut :

2)  ADISI ELEKTROFILIK

Reaksi adisi elektrofilik terjadi apabila gugus yang pertama menyerang suatu ikatan rangkap pereaksi elektrofil. Reaksi adisi elektrofilik ditemukan pada senyawa C yang mengandung ikatan rangkap antara dua atom C seperti alkena dan alkuna. Contoh reaksi adisi elektrofilik adalah reaksi antara etena dengan asam klorida menghasilkan etil-klorida. Pada senyawa alkena terdapat elektron π yang letaknya lebih jauh dari inti dibanding elektron pada ikatan σ, sehingga lebih mudah diserang oleh suatu elektrofil. Elektron pi adalah suatu nukleofil lemah.

 Mekanisme reaksi adisi dari air terhadap etilen, suatu alkena sederhana

Tahapan reaksi 
Serangan elektrofil  terhadap ikatan  π membentuk suatu  karbokation. Serangan nukleofil terhadap  karbokation. Tahap pertama berjalan lambat, dan merupakan tahap penentu laju.
Bila alkena yang bereaksi adalah propena (alkena tak simetris karena substituen yang terikat pada karbon alkena tidak sama), maka ada dua kemungkinan produk yang terbentuk karena gugus OH

dapat masuk  pada  karbon  CH₂ atau karbon CH₃CH .               

Karbokation sekunder lebih stabil (mempunyai tingkat energi lebih rendah)  dibanding carbocation primer . Gugus metil bersifat pendorong elektron yang membantu stabilisasi karbokation.

      Secara umum dapat dikatakan mekanisme reaksi adisi alkena  adalah serangan electrophile pada karbon yang kurang tersubstitusi pada tahap pertama  dan serangan nucleophile pada karbon yang lebih tersubstitusi pada tahap kedua.

      Mekanisme ini dapat digunakan untuk memprediksi produk adisi terhadap alkena tak simetris dengan syarat dapat menentukan gugus elektrofil dan nukleofil dari molekul yang akan diadisikan pada alkena tersebut . Sebagai contoh adisi menggunakan HBr  . Ikatan dalam  HBr bersifat  polar dengan  H  positive dan Br  negative. H⁺ adalah  elektrofil dan Br_- adalah  nukleofil.

Penerapan dari mekanisme umum diatas adalah :

Metode alternatif untuk membuat suatu alkohol primer  dikembangkan oleh H.C.Brown mengikuti rute di bawah:

Molekul Halogen misalnya  Cl₂ dan Br₂  juga dapat ditambahkan pada  ikatan rangkap alkena. Pada kasus ini tidak perlu mempertimbangkan  orientasi masuknya gugus karena gugus yang masuk identik  , tetapi aspek yang perlu dipahami adalah aspek stereokimia.

Jika  bromine ditambahkan pada  cyclopentene,  ada dua kemungkinan produk yang dihasilkan tergantung   orientasi ruang  serangan kedua atom bromine. Bila dua atom menyerang dari arah yang sama  produk yang terjadi adalah  cis. Bila berlawanan produk yang terbentuk adalah  trans. Hasil eksperimen menunjukkan produk yang terbentuk hanya  trans .

Dari hasil pengamatan disimpulkan mekanisme yang terjadi adalah :

Tahap Pertama:

Tahap Kedua

Sama dengan pada reaksi S_N1 , serangan nukleofil terhadap  karbokation dapat terjadi dari dua arah sehingga dihasilkan   produk campuran cis dan trans.

Bila eksperimen hanya menghasilkan satu jenis produk, berarti dapat disimpulkan mekanisme reaksi tidak melalui pembentukan karbokation. Jadi harus ada mekanisme lain yang menyebabkan terhalangnya serangan nukleofilik dari arah yang sudah ada atom Br yang pertama. Ternyata pada tahap pertama atom Br menyerang kedua atom karbon alkena. Satu ikatan menggunakan elektron pi dari alkena, ikatan lain menggunakan elektron bebas Br. Hasilnya terbentuk  suatu siklik antara dua karbon alkena dan Br bentuk ini disebut ion brominium

Serangan Br selanjutnya sama dengan pada reaksi  SN2. Arah serangan adalah berlawanan dengan posisi Br yang pertama. Dan produk akhir adalah trans .

PERMASALAHAN :

1) Mengapa jika alkena yang bereaksi adalah propen pada tahap pertama reaksi adisi elektrofilik, ada dua kemungkinan produk yang terbentuk?

2) Bagaimana reaksi adisi elektrofilik dapat terjadi?

3) Diketahui bahwa serangan nukleofil terhadap  karbokation dapat terjadi dari dua arah sehingga dihasilkan   produk campuran cis dan trans. Bagaimana jika eksperimen yang dilakukan hanya menghasilkan satu jenis produk?

Contoh Reaksi Substitusi Nukleofilik Alkil Halida

Mekanisme Reaksi Substitusi Nukleofilik Pada dasarnya terdapat dua mekanisme reaksi substitusi nukleofilik. Mereka dilambangkan dengan SN2 adan SN1. Bagian SN menunjukkan substitusi nukleofilik,

MEKANISME SN2

Mekanisme reaksi substitusi nukleofilik biomolekul SN2 Mekanisme reaksi SN2 hanya terjadi pada alkil halida primer dan sekunder. Nukleofil yang menyerang adalah jenis nukleofil kuat seperti -OH, -CN, CH3O-. Serangan dilakukan dari belakang. Untuk lebih jelas, perhatikan contoh reaksi mekanisme SN2 bromoetana dengan ion hidroksida berikut ini

MEKANISME SN1

Mekanisme SN1 adalah proses dua tahap. Pada tahap pertama, ikatan antarakarbon dengan gugus pergi putus. 

Gugus pergi terlepas dengan membawa pasangan elektron, dan terbentuklah ion karbonium. Pada tahap kedua (tahap cepat), ion karbonium bergabung dengan nukleofil membentuk produk 

Contoh masing-masing reaksi adalah:

 

PERMASALAHAN :

1) Bagaimana proses pemutusan ikatan C–X dan pembentukan ikatan baru pada SN2 ?

2) Apa yang menyebabkan pada mekanisme reaksi SN2 penyerangan nukleofil pada karbon berlangsung 180° terhadap gugus pergi ?

3) Mengapa mekanisme SN2 biasanya terjadi pada suatu pusat karbon primer yang tak terhalang?