KIMIA ORGANIK SINTESIS: REGANGAN RUANG

PENGERTIAN REGANGAN RUANG

Regangan Ruang merupakan studi mengenai molekul-molekul dalam ruang tiga dimensi, artinya bagaimana atom-atom dalam sebuah molekul diatur dalam ruang satu terhadap ruang yang lainnya. Stereokimia berkaitan dengan bagaimana penataan atom-atom dalam sebuah molekul dalam ruang tiga dimensi. Perlu diketahui bahwa sterokimia ini sangat penting, karena sterokimia ini sebuah struktur yang memiliki rumus molekul sama hanya karena susunannya berbeda akan mengakibatkan fungsi yang berbeda pula. Pada sterokimia struktur molekul nya berada pada posisi yang sama hanya saja arah dari struktur molekulnya berbeda. Sterokmia berbeda dengan isomer structur, dimana isomer struktur memiliki rumus molekul yang sama namun struktur molekulnya berbeda dengan urutan penempatan atom-atom yang berbeda. Bisa dikatan bahwa pada isomer struktur posisi struktur molekulnya tidak tetap seperti pada sterokimia yang memiliki struktur mlekul pada posisi tetap hanya saja memiliki arah yang berbeda.

Pada stereokimia terdapat tiga aspek penting , diantaranya sebagai berikut :

1.Konformasi molekul: Berkaitan dengan bentuk molekul dan bagaimana bentuk molekul itu diubah akibat adanya putaran bebas disepanjang ikatan C-C tunggal.

2.Konfigurasi berkaitan dengan Kiralitas molekul: Bagaimana penataan atom-atom disekitar atom karbon yang mengakibatkan terjadinya isomer.

3.Isomer Geometrik : Terjadi karena ketegaran (rigit) dalam molekul yang mengakibatkan adanya isomer .

1. Isomer

Isomer adalah senyawa-senyawa karbon yang memiliki rumus molekul sama tetapi rumus strukturnya berbeda. Pada senyawa hidrokarbon, rumus kimia menunjukkan jumlah atom karbon dan setiap unsur yang terdapat dalam satu molekul senyawa. Rumus kimia senyawa propana adalah C₃H₆, rumus kimia ini menunjukkan bahwa setiap molekul propana terdiri atas tiga atom karbon dan enam atom hidrogen. Rumus struktur molekul adalah rumus kimia yang menunjukkan cara atom-atom diikatkan antara satu sama lain dengan ikatan kovalen dalam struktur molekul senyawa tersebut.

Terdapat dua bentuk isomer cis-trans yakni cis dan trans ketika gugus substituen berorientasi pada arah yang sama, diastereomer ini disebut sebagai cis, sedangkan ketika subtituen berorientasi pada arah yang berlawanan, diastereomer ini disebut sebagai trans. Isomer geometri dalam alkana (cis dan trans) diakibatkan oleh ketegaran dalam molekul. Dijumpai dalam dua kelas senyawa, alkana dan senyawa siklik. Senyawa yang mempunyai ikatan rangkap tak dapat berputar dengan ikataan rangkap sebagi sumbunya, tanpa mematahkan ikatan pi nya.

Alkana asiklik (rantai terbuka) dengan sikloalkana memiliki sifat kimia yang mirip. Keduanya sama-sama nonpolar dan cenderung inert. Akan tetapi terdapat perbedaan mendasar. Pertama, sikloalkana kurang fleksibel dibandingkan dengan alkana rantai terbuka. Ikatan tunggal (ikatan sigma) pada alkana asiklik dapat berputar. Pada sikloalkana, ikatan yang terbentuk kurang bebas untuk berputar. Karena strukturnya yang siklik, sikloalkana memiliki dua sisi yaitu sisi bawah dan sisi atas. Hal ini memungkinkan sikloheksana memiliki kemungkinan isomerisme berdasarkan letak subtituennya.

Contoh sederhana dari suatu isomer adalah C3 H8 O. Terdapat 3 isomer dengan rumus kimia tersebut, yaitu 2 molekul alkohol dan sebuah molekul eter. Dua molekul alkohol yaitu 1-propanol (n-propil alkohol, I), dan 2-propanol (isopropil alkohol, II). Pada molekul I, atom oksigen terikat pada karbon ujung, sedangkan pada molekul II atom oksigen terikat pada karbon kedua (tengah). Kedua alkohol tersebut memiliki sifat kimia yang mirip. Sedangkan isomer ketiga, metil etil eter, memiliki perbedaan sifat yang signifikan terhadap dua molekul sebelumnya. Senyawa ini bukan sebuah alkohol, tetapi sebuah eter, dimana atom oksigen terikat pada dua atom karbon, bukan satu karbon dan satu hidrogen seperti halnya alkohol. Eter tidak memiliki gugus hidroksil.

2. Konformasi dan Kiralitas Senyawa Rantai Terbuka

· - Konformasi senyawa rantai terbuka

Dalam senyawa rantai terbuka, gugus-gugus yang terikat oleh ikatan sigma dapat berotasi mengelilingi ikatan itu. Oleh karena itu, atom-atom dalam suatu molekul rantai terbuka dapat memiliki tak terhingga banyak posisi ruang relatif satu terhadap yang lain. Isomeri geometri atau isomeri cis-trans dapat ditemukan juga pada senyawa siklik berikatan tunggal atau sikloalkana. Seperti juga pada ikatan rangkap, ikatan tunggal pada suatu struktur cincin tidak dapat berotasi bebas. Oleh karena itu, bila terdapat dua atom karbon anggota cincin yang masing-masing mengikat dua gugus berbeda selain atom karbon anggota cincin, maka akan ditemukan isomeri geometri.

· - Kiralitas senyawa rantai terbuka

Kiralitas adalah suatu keadaan yang menyebabkan dua molekul dengan struktur yang sama tetapi berbeda susunan ruang dan konfigurasinya. Atom yang menjadi pusat kiralitas dikenal dengan istilah atom kiral. Penyebab adanya kiralitas adalah adanya senyawa karbon yang tidak simetris.

Atom yang menjadi pusat kiralitas dikenal dengan istilah atom kiral. Atom kiral adalah atom yang mengikat gugus yang semuanya berbeda, bila dalam suatu molekul terdapat satu pusat kiral maka akan terdapat dua stereoisomer dari senyawa tersebut yang dikenal dengan istilah enantiomer.

3. Kelompok isomer

Terdapat dua jenis isomer, yaitu isomer struktural dan stereoisomer. Isomer struktural adalah isomer yang berbeda dari susunan/urutan atom-atom terikat satu sama lain. Contoh yang disebutkan diatas termasuk kedalam isomer struktural. Sedangkan stereoisomer memiliki struktur yang sama, namun beberapa atom atau gugus fungsional memiliki posisi geometri yang berbeda. Isomer optikal adalah salah satu bentuk dari stereoisomer. Halaman ini menjelaskan tentang stereoisomer dan bagaimana anda dapat mengenali adanya stereoisomer didalam sebuah molekul.Dalam stereoisomer, atom yang menghasilkan isomer berada pada posisiyang sama namun memiliki pengaturan keruangan yang berbeda. Isomer geometrik adalah salah satu contoh dari stereoisomer.

`
4. Regangan ruang pada senyawa sikloalkana

Sikloalkana adalah golongan senyawa hidrokarbon jenuh yang rantai atom-atom karbon-karbonnya tertutup (membentuk cincin), sehingga termasuk hidrokarbon siklik. Karena sifat-sifat sikloalkana sangat mirip dengan golongan alkana (hidrokarbon alifatik), maka sikloalkana dikategorikan sebagai hidrokarbon alisiklik. Kestabilan (ketidakreaktifan) sikloalkana pada mulanya dijelaskan dengan “teori regangan Baeyer” (Baeyer’s strain theory). Menurut teori ini, senyawa siklik seperti halnya sikloalkana membentuk cincin datar. Bila sudut-sudut ikatan dalam senyawa siklik menyimpang dari sudut ikatan tetrahedral (109,5⁰) maka molekulnya mengalami regangan. Makin besar penyimpangannya terhadap sudut ikatan tetrahedral, molekulnya makin regang, dan berakibat molekul tersebut makin reaktif.

Jika ditinjau dari segi regangan cincinnya, yang dihitung berdasarkan harga kalor pembakaran, terbukti bahwa harga regangan total cincin yang terbesar adalah pada siklopropana,siklobutana, dan siklopentana. Pada sikloheksana harganya = 0, yang sama dengan harga senyawa rantai terbuka. Besarnya harga regangan pada siklopropana tersebut disebabkan oleh adanya regangan sudut dan regangan sterik. Makin besar penyimpangannya dari sudut tetrahedral, makin besar pula regangan sudutnya. Dalam usaha mengurangi regangan agar diperoleh kestabilan, molekul sikloalkana mengalami konformasi.

Pada sikloheksana konformasinya mengakibatkan semua ikatan C-C-C mempunyai sudut 109,5⁰. Salah satu dari konformasi pada sikloheksana dinamakan konformasi kursi, yang ditandai oleh adanya dua macam orientasi ikatan C-H, yaitu enam buah ikatan C-H aksial dan enam buah ikatan C-H ekuatorial. Dikenal pula adanya konformasi perahu pada sikloheksana, yang kestabilannya lebih rendah daripada konformasi kursi. Jika satu atom H pada sikloheksana diganti oleh gugus –CH₃ atau gugus lain, maka gugus –CH₃/ gugus lain tersebut dapat berposisi aksial/ ekuatorial. Dalam hal ini konformasi yang lebih stabil adalah konformasi dengan gugus –CH₃ berposisi ekuatorial. Bila sikloalkana mengikat substituen pada dua atau lebih atom karbon, maka terjadi isomer cis-trans. Pada sikloheksana juga dijumpai isomer-isomer cis-tans, yang bila digambarkan dengan konformasi kursi, yang masing-masing substituen dapat berposisi aksial atau ekuatorial. Molekul sikloheksana dapat bersifat cis ataupun trans, bila terdisubstitusi oleh dua gugus molekul atau atom. Bentuk cis dan trans pada sikloheksana adalah isomer geometris dan pada suhu kamar tak dapat saling-diubah satu menjadi lainnya, dan masing-masing isomer dapat memiliki aneka ragam konformasi. Konformasi adalah penataan atom atau gugus-gugus yang terikat oleh ikatan sigma dalam ruang secara berlainan akibat rotasi atom/gugus tersebut mengelilingi ikatan tersebut.

Konformasi yang paling stabil dari atom-atom karbon sikloheksana adalah bentuk kursi setiap karbon cincin dari sikloheksana mengikat dua atom hidrogen ikatan pada salah satu hidrogen terletak dalam bidang cincin secara kasar Hidrogen ini disebut hidrogen ekuatorial, sedangkan hidrogen yang tegak lurus dengan bidang disebut hidrogen aksial. setiap atom karbon sikloheksana mempunyai satu atom hidrogen ekuatorial satu hidrogen aksial. ikatan atom hidrogen pada suatu sikloheksana digantikan oleh suatu substituent, maka bentuk ekuatorial yang paling disukai karena bentuk ini merupakan bentuk paling stabil. Tetapi pada kasus tersubstitusi 1,3–dimetilsikloheksana, maka konformasi cis lebih disukai (lebih stabil) dari pada posisi trans, karena pada posisi cis adalah ekuatorial,ekuatorial (e,e,) sedangkan trans adalah aksial,ekuatorial (a,e). aksial, aksial(a,a) atau ekuatorial, ekuatorial(e,e) lebih stabil dan disukai dari pada ekuatorial, aksial(e,a) atau aksial,ekuatorial (a,e) karena jarak antar gugus paling jauh sehingga gaya tolak minimum.

5. Isomer Geometrik dalam alkena dan senyawa siklik

Isomeri geometrik yang diakibatkan oleh ketegaran dalam molekul dan hanya dijumpai dalam dua kelas senyawa yaitu alkena dan senyawa siklik. Molekul yaitu dimana bukanlah partikel static yang hanya berdiam diri. Atom dan gugus yang terikat hanya oleh ikatan sigma dapat berputar (rotasi) sedemikian sehingga bentuk keseluruhan sebuah molekul selalu berubah berkesinambungan. Akan tetapi gugus-gugus yang telah terikat dalam ikatan rangkap tidak dapat berputar dalam ikatan rangkap itu sebagai sumbu, tanpa mematahkan ikatan-pi itu. Energy yang perlukan untuk mematahkan energy pi-karbon-karbon sekitar 68 kkal/mol dan tidak tersedia untuk molekul itu pada suhu kamar. Karena ketegaran ikatan pi inilah maka gugus-gugus yang terikat pada karbon yang dimana terikat pada ikatan pi maka akan terletak pada ruang relatif satu sama lain.

Biasanya struktur suatu alkena dapat ditulis seakan-akan atom-atom karbon sp² dan atom-atom yang terikat pada mereka terletak semuanya pada bidang kertas. Dalam pemaparan ini satu cuping (lobe) maka ikatan pi dapat diberapa diatas kertas dan cuping yang lain berada dibawah kertas, tertutup oleh cuping diatas.

Dalam gambar diatas dapat dilihat bahwa suatu struktur dengan dua atom Cl satu pada tiap karbon dan pada satu sisi ikatan pi dan dua atom H yang berada pada sisi yang lain. Dikarenakan ikatan rangkap tegar maka molekul ini tidak mudah saling diubah dengan senyawa dalam muaton atom-atom Cl yang berada pada sisi ikatan pi yang berlawanan.

Dua gugus yang terletak pada satu sisi ikatan pi disebut cis dan gugus-gugus yang terletak pada sisi-sisi yang berlawanan disebut trans.

Sifat-sifat fisik cis dan trans 1,2 dikloroetana berbeda, dan juga mereka adalah senyawa yang berlainan. Tetapi kedua senyawa ini bukanlah senyawa dari isomer-isomer struktural karena ikatan atom-atom dan lokasi ikatan rangkapnya sama. Pasangan ikatan isomer ini masuk dalam kategori umum streoisomer : senyawa berlainan yang dimana memiliki struktur berbeda hanya dalam hal penataan atom-atom dalam ruangan dan dapat dikatakan pasangan isomer ini termasuk dalam kategori yang lebih spesifik : isomer geometrik dan ada juga yang menyebutkan isomer cis-trans. Streoisomer-streoisomer yang berbeda karena gugus-gugus yang berada pada satu sisi atau pada sisi yang berlawanan terhadap letak ketegaran molekul.

Persyaratan isomer geometrik dalam alkena ialah bahwa tiap atom karbon yang terlibat dalam ikatan pi maka mengikat dua gugus yang berlainan, misalnya H dan Cl atau CH3 dan Cl maka salah satu atom karbon berikatan rangkap mempunyai dua gugus identik. Misalnya dua atom H dan dua gugus CH3 maka tidak mungkin akan terjadi isomer geometrik.

Bila tiga atau empat gugus yang terikat pada atom-atom karbon yaitu suatu ikatan rangkap berlainan, maka hal tersebut dapat diperoleh isomer geometrik. Akan tetapi terkadang akan sulit menentukan penandaan yang mana cis maupun trans pada isomer-isomer itu.

Contohnya yaitu Br dan Cl dapat dikatan trans satu sama lain atau I dan Cl dapat dikatakan cis satu sama lain. Akan tetapi struktur itu dalam keseluruhan nya tidak dapat dinamai sebagai cis maupun trans. Karena kembar makanya dalam kasus semacam ini maka telah dikembangkan sistem penetapan isomer yang lebih umum yang disebut sistem E dan Z.

Sistem E dan Z ini dasarkan pada suatu pemberian prioritas dikarenakan atom atau gugus yang terikat pada masing-masing atom karbon pada ikatan rangkap. Jika atom atau gugus yang berprioritas tinggi itu berada dalam suatu sisi maka itu disebut Z. dimana sebelumya huruf E berasal dari entgegen kata dari bahasa jerman yang artinya bersebrangan sedangkan Z berasal dari kata zusammen arti dari kata jerman untuk arti bersama-sama.

Jika kedua atom pada masing-masing karbon ikatan rangkap itu berbeda maka prioritas utama didasarkan pada bobot atom yang dimana akan langsung terikat pada karbon ikatan rangkap itu. Atom karbon yang memiliki bobot yang lebih tinggi maka memperoleh maka dapat memperoleh prioritas yang lebih tinggi. Pada contoh ini bobot atom I lebih tinggi pada atom Br maka I berprioritas lebih tinggi. Pada atom lain Cl lebih diprioritaskan daripada F.

Isomeri geometrik dalam senyawa siklik

Atom-atom yang tergabunng dalam suatu cincin yang dimana tidak bebas berotasi mengelilingi ikatan sigma dari cincin. Rotasi dapat mengelilingi ikatan-ikatan sigma cincin dimana akan memutus agar atom-atom gugus yang terikat dapat melewat pusat cincin itu, tetapi gaya van der waals menghalangi terjadinya gerakan ini, kecuali jika cincin terdiri dari sepuluh atom karbon atau lebih. Dalam senyawa organik cincin yang paling lazim ialah cincin lima atau enam anggota. Maka oleh karena itu pembahasan dipusatkan dengan cincin atom karbon atau kurang.

Untuk saat ini diandaikan atom-atom karbon merupakan suatu struktur lingkar seperti sikloheksana yang membentuk bidang datar meskipun pengandalan ini tidak sepenuhnya benar. Dalam hal ini bidang cincin dipandang hampir-hampir horizontal dimana tepi cincin yang menghadap pembaca ditebali.

Tiap atom karbon dalam cincin sikloheksana terikat pada atom-atom tetangganya dan juga pada dua atom atau gugus lainnya. Ikatan pada dua gugus lain ini dinyatakan oleh garis-garis vertikal pada bidang kertas. Suatu gugus yang terikat pada ujung atas garis vertikal dikatakan berada diatas bidang cincin dan gugus yang terikat pada ujung bawah garis vertikal itu dikatakan berada dibawah bidang cincin.