Kimia Organik Fisik

Adapun konsep-konsep yang diperlukan dalam mempelajari struktur molekul senyawa organik adalah sebagai berikut :

1. Elektronegativitas
   Atom dalam molekul yang dapat terikat bersama dengan berbagi elektron. Pasangan berbagi elektron disebut ikatan kimia. Tidak semua atom berbagi elektron yang sama. Beberapa dari mereka lebih egois daripada yang lain. Perbedaan elektronegativitas antara dua unsur yang menentukan sejauh mana elektron mereka berbagi dan dibagi merata. Cara di mana elektron bersama membantu menentukan banyak sifat molekul penting seperti kelarutan (http://artikeltop.xyz/pengertian-elektronegativitas.html).
   Elektronegativitas merupakan ukuran kemampuan atom untuk menarik elektron saat atom merupakan bagian dari suatu senyawa. Nilai Elektronegativitas umumnya meningkat dari kiri ke kanan di tabel periodik. Elektronegativitas umumnya menurun dari atas ke bawah. Nilai elektronegativitas tertinggi adalah untuk unsur fluor (http://ilmualam.net/kecenderungan-elektronegativitas-dalam-sistem-periodik.html).
   Elektronegativitas merupakan sifat berkala (periodik) yang penting. Ada dua sifat fisis atom yang mempengaruhi sifat kimiawinya, yaitu perubahan energi akibat penambahan satu elektron pada atom netral dan perubahan energi akibat pengurangan satu elektron dari atom netralnya. Unsur logam lebih elektropositif dibandingkan unsur non-logam. Unsur non-logam menerima elektron (membentuk ion negatif) lebih mudah dibandingkan unsur logam dan tidak mudah menyerahkan elektronnya. Jadi, unsur non-logam lebih elektronegatif dibandingkan unsur logam.
    Perbedaan afinitas (kesukaan mengikat) ini menyebabkan perbedaan sifat kimia diantara kedua golongan unsur tersebut. Dengan demikian, elektronegativitas suatu atom ialah besarnya daya menarik elektron kedalam atomnya dalam penggabungan kimia (http://indrawahyudi958.blogspot.co.id/2013_12_01_archive.html).

2. Ikatan Hidrogen

    Ikatan hidrogen (hydrogen bond) adalah jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidorgen dakam ikatan polar, seperti N-H, O-H, atau F-H, dengan atom elektronegatif O, N atau F. Interaksi ini ditulis :

A-H--- B atau A-H---A

A dan B mewakili O, N, atau F ; A-H adalah sautu molekul atau bagian dari molekul dan B adalah sebagian dari molekul lain ; dan garis titik-titik mewakili ikatan hidorogen. Ketiga atom biasanya terletak pada satu garis lurus, tetapi sudut AHB (atau AHA) dapat menyimpang hingga 30˚ dari bentuk lurus.
   Energi rata-rata satu ikatan hidrogen cukup besar untuk satu intraksi dipol-dipol (hingga 40 kJ/mol). Jadi, ikatan hidrogen merupakan suatu gaya yang kuat dalam menentukan struktur dan sifat-sifat dari banyak senyawa. Gambar diatas merupakan contoh dari ikatan hidrogen, yaitu ikatan-ikatan hidrogen antar molekul-molekul air, amonia, dan hidrogen fluorida. Garis tidak putus-putus mewakili ikatan kovalen, dan garis putus-putus mewakili ikatan hidrogen (Chang, Raymond. 2005. Kimia Dasar Jilid 1. Jakarta : Erlangga).

   Ikatan ini terjadi pada senyawa-senyawa yang sangat polar seperti HF, H₂O,  dan NH₃.  Lebih jelasnya ikatan ini terjadi antara atom yang sangat elektronegatif dari suatu molekul dengan atom yang kurang elektronegatif dari molekul yang lain, misal antara atom F dari molekul HF dengan atom H dari molekul H₂O.

   Ikatan hidrogen terjadi ketika ada molekul F, N, O yang memiliki pasangan e bebas, pasangan e bebas tadi menarik satu/beberapa atom H  dari molekul lain yang akhirnya membentuk ikatan hidrogen satu sama lain. Intinya senyawa yg mengandung salah satu dri F, N, O. Yang didalamnya terdapat H pasti berikatan hidrogen..Ikatan ini tidak terlalu kuat sehingga lebih mudah diputuskan daripada ikatan ionik maupun kovalen, apalagi dibanding ikatan logam (https://samadaranta.wordpress.com/2010/12/14/ikatan-hidrogen/).

3. Gaya Van Der Waals
    Gaya van der Waals dalam ilmu kimia merujuk pada salah satu jenis gaya antara molekul. Istilah ini pada awalnya merujuk pada semua jenis gaya antar molekul, dan hingga saat ini masih digunakan dalam pengertian tersebut, tetapi saat ini lebih umum merujuk pada gaya-gaya yang timbul dari polarisasi molekul menjadi dipol.
   Hal ini mencakup gaya yang timbul dari dipol tetap (gaya Keesom), dipol rotasi atau bebas (gaya Debye) serta pergeseran distribusi awan elektron.Nama gaya ini diambil dari nama kimiawan Belanda Johannes van der Waals, yang pertama kali mencatat jenis gaya ini. Potensial Lennard-Jones sering digunakan sebagai model hampiran untuk gaya van der Waals sebagai fungsi dari waktu (http://yunanchemistry.blogspot.co.id/2012/07/bab-i-pendahuluan.html).
   Gaya Van der Waals dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu gaya disperse dan gaya dipol-dipol. Molekul dapat menarik satu sama lain pada jarak sedang dan saling tolak pada jarak dekat. Gaya yang menarik secara kolektif disebut “van der Waals”.

a. Gaya Disperse (Gaya London)

   Gaya disperse terjadi akibat adanya tarik-menarik antara molekul-molekul nonpolar. Gaya disperse dikemukakan oleh Fritz London (1930), ahli fisika dari Jerman sehingga gaya tarik yang terjadi kemudian dikenal sebagai gaya London. Menurut London, elektron-elektron di dalam molekul selalu bergerak dengan jarak yang tertentu dari inti.
    Gerakan ini memungkinkan elektron pada suatu saat lebih banyak berada di salah satu sisi dibandingkan sisi yang lain sehingga molekul memiliki momen dipol. Momen dipol ini disebut dipol sesaat karena hanya berlangsung sepersekian detik. Saat berikutnya, elektron berada di tempat yang berbeda dan menyebabkan dipol sesaat yang lain. Dipol sesaat yang terjadi dapat menginduksi dipol sesaat dari molekul tetangganya. Akibatnya terjadi gaya tarik antara molekul-molekul nonpolar tersebut. Contoh pembentukan dipol sesaat pada molekul neon (Ne).
   Kekuatan gaya tarik London sebanding dengan polarisabilitas molekul. Polarisabilitas menunjukkan kemudahan terganggunya distribusi elektron dalam molekul. Pada umumnya, makin besar massa molar (M ) molekul yang berarti jumlah elektron makin banyak, polarisabilitas makin tinggi (distribusi elektron semakin mudah terganggu) sehingga gaya London makin kuat.
     Gaya London yang semakin kuat mengakibatkan titik didih molekul semakin tinggi. Sebagai contoh, Anda bandingkan gaya tarik antarmolekul CH₄ (Mr=16 g/mol) dan molekul C₃H₈ (Mr= 44). Molekul CH₄ memiliki massa molar yang lebih besar dari C3H8. Akibatnya gaya London dalam molekul ini lebih kuat sehingga titik didih molekulnya juga lebih tinggi. Titik didih C₃H₈ adalah -42°C, sedangkan titik didih CH₄ adalah -161°C.

b. Gaya Dipol-dipol

    Gaya dipol-dipol terjadi akibat tarik-menarik antara molekul-molekul polar. Molekul polar adalah molekul yang memiliki momen dipol permanen dengan kedua ujung berbeda muatan. Adanya beda muatan ini menimbulkan gaya tarik elektrostatik sehingga terjadi tarik-menarik antarmolekul dalam cairan atau padatan. Gaya tarik antarmolekul polar inilah yang disebut gaya dipol-dipol. Misalnya antarmolekul HCl terjadi gaya dipol-dipol akibat adanya beda muatan antara H dan Cl. Semakin besar momen dipol, gaya tarik semakin kuat. Gaya tarik dipol-dipol lebih kuat daripada gaya tarik antarmolekul nonpolar, sehingga titik didih cenderung lebih tinggi.  (http://artikeltop.xyz/pengertian-gaya-van-der-waals.html).

4. Polarizabilitas/Momendipol

   Momendipole (μ) merupakan suatu besaran vektor yang digambarkan menggunakan moment ikatan. Jika jumlah vektor momen-momen ikatan (momen dipole μ)> dari nol atau < 0, maka molekul tersebut bersifat polar, sebaliknya jika jumlah vektor momen ikatan (momen dipole μ) = 0, maka molekul tersebut bersifat nonpolar.  Ketika terjadi ikatan polar maka molekul yang terbentuk juga bersifat polar. Nilai polaritas secara keseluruhan dihasilkan dari polaritas  ikatan dan pengaruh elektron bebas dalam molekul. Secara kuantitatif, momen dipol (µ) merupakan hasil kali muatan Q dan jarak antar muatan r. 

µ = Q x r

keterangan:

µ                             = momen

dipol (D, debye) Q    = selisih

muatan (Coulomb)  r = jarak antara muatan positif dengan muatan negatif (m) 

 

 Semakin besar harga momen dipol, semakin polar senyawa yang bersangkutan bahkan mendekati ke sifat ionik (https://www.scribd.com/doc/209582546/Momen-Dipol).

 

 

Gambar Momendipol air dan amonia

Berikut adalah tabel momendipol dari beberapa molekul :

 

( http://nico-nugraha.blogspot.co.id/2013/01/cara-menentukan-kepolaran-pada-senyawa_31.html )

5. Gugus Fungsi

  Gugus fungsi adalah atom atau kelompok atom yang paling menentukan sifat suatu senyawa (https://dsupardi.wordpress.com/kimia-xii-2/sentawa-organik/).

Gugus fungsi adalah gugus atom dalam molekul yang menentukan ciri atau sifat suatu senyawa.  Gugus fungsi ini merupakan atom selain atom karbon dan atom hidrogen dalam senyawa hidrokarbon dan membentuk ikatan rangkap. Adapun bagian-bagian dari molekul yang hanya terdiri dari atom karbon dan hidrogen saja serta hanya mengandung ikatan tunggal saja disebut gugus-gugus non fungsional (http://www.sridianti.com/pengertian-gugus-fungsi.html).

Berikut beberapa contoh gugus fungsi pada senyawa organik :

 

6. Efek Induksi

   Sebuah efek induktif adalah tarikan kerapatan elektron melalui obligasi s disebabkan olehperbedaan elektronegativitas dalam atom (http://dokumen.tips/documents/resonansi-efek-induksi.html).

    Dalam suatu ikatan kovalen tunggal dari atom yang tak sejenis, pasangan electron yang membentuk ikatan sigma, tidak pernah terbagi secara merata di antara kedua atom. Electron memiliki kecenderungan untuk tertarik sedikit ataupun banyak kea rah atom yang lebih elektronegatif dari keduanya. Misalnya dalam suatu alkil klorida, kerapatan electron cenderung lebih besar pada daerah didekat atom Cl daripada atom C. sebagai penunjuk bahwa atom yang satu lebih elektronegatif, secara umum dituliskan sebagai berikut:

    Jika atom karbon terikat pada klorin dan ia sendiri berikatan pada atom karbon selanjutnya, efek induksi dapat diteruskan pada karbon tetangganya.

    Akibat dari pengaruh atom klorin, electron pada ikatan karbon klorin didermakan sebagian ke klorin, sehingga menyebabkan C1 sedikit kekurangan electron. Keadaan C1 ini menyebabkan C2 harus mendermakan juga sebagian elektronnya pada ikatan C2 dengan C1 agar menutupi kekurangan electron di C1. Begitu seterusnya. Namun, efek ini dapat hilang pada suatu ikatan jenuh (ikatan rangkap), efek induktif ini juga semakin mengecil jika melewati C2. Pengaruh distribusi electron pada ikatan sigma ini dikenal sebagai efek induksi.

    Sebagai perbandingan relatifitas efek induksi, kita memilih atom hydrogen sebagai molekul standarnya, misalnya CR₃-H. Jika ketika atom H dalam molekul ini diganti dengan Z (atom ataupun gugus), kemudian kerapatan electron pada bagian CR₃ pada molekul ini berkurang daripadadalam CR₃-H, maka Z dapat dikatakan memiliki suatu efek – I (efek penarik electron / electron-withdrawing / electron-attracting). Contoh gugus dan atom yang memiliki efek – I: NO₂, F, Cl, Br, I, OH, C₆H₅^-. Jika kerapatan electron dalam CR₃ bertambah besar dari pada dalam CR₃-H, maka Z dikatakan memiliki efek + I (efek pendorong electron / electron-repelling / electron-releasing). Contoh gugus dan atom yang memiliki efek + I: (CH₃)₃C-, (CH₃)₂CH-, CH₃CH₂-, CH₃- (http://aura28.blogspot.co.id/2012/10/efek-induksi-dan-mesomeri.html).

7. Resonansi 

   Resonansi secara singkat dapat dikatakan dengan suatu senyawa kimia yang strukturnya sama tetapi konfigurasi elektronnya berbeda (http://gigihkurniawan.blogspot.co.id/2013/11/Resonansi-Konjugasi-Hiperkonjugasi.html). 

 Molekul atau ion yang dapat beresonansi mempunyai sifat-sifat berikut:

1. Dapat dituliskan dalam beberapa struktur Lewis yang disebut dengan struktur resonan. Tetapi tidak satupun struktur tersebut melambangkan bentuk asli molekul yang bersangkutan.
2. Di antara struktur yang saling beresonansi bukanlah isomer.
3. Masing-masing struktur struktur Lewis harus mempunyai jumlah elektron valensi dan elektron tak berpasangan yang sama.
4. Ikatan yang mempunyai orde ikatan yang berbeda pada masing-masing struktur tidak mempunyai panjang ikatan yang khas.
5. Struktur yang sebenarnya mempunyai energi yang lebih rendah dibandingkan energi masing-masing struktur resonan (https://id.wikipedia.org/wiki/Konsep_resonansi).

  Berikut adalah contoh resonansi yang baik dari molekul benzena

 (http://suharyadi01.blogspot.co.id/2015/12/konsep-resonansi.html)

8. Hiperkonjugasi
   Merupakan delokalisasi yang melibatkan elektron σ. Hiperkonjugasi  dapat dipandang sebagai overlap antara orbital σ ikatan C-H dengan orbital π ikatan C=C, analog dengan overlap π-π. Hiperkonjugasi disebut juga resonansi tanpa ikatan. Secara singkat efek hiperkonjugasi merupakan perubahan dari suatu ikatan C-H menjadi ikatan C=C atau C≡C oleh Hα. Hiperkonjugasi dapat meningkatakan kestabilan molekul dengan semakin banyaknya Hα maka suatu molekul tersebut akan semakin stabil. 
   Hiperkojugasi adalah ikatan C – C apabila mengikat atom lagi dengan ikatan rangkap 2 atau 3. C-C kecil dari pada C-C perhitungan karena adanya pengaruh ikatan rangkap dua atau tiga yaitu elektron. atau pengaruh hiperkonjugasi. Terjadi semacam resonansi. Gejala ini disebut hiperkonjugasi yaitu karena adanya pergeseran elektron sehingga tidak berikatan secara parsial  (atom H berdekatan) “no bond resonance” sehingga sering pula disebut konjugasi.

Contoh : 

 Jika suatu karbon yang mengikat atom hydrogen dan terikat pada atom tak jenuh atau pada satu atom yang mempunyai orbital bukan ikatan maka untuknya dapat dituliskan bentuk kanonik seperti diatas. Di dalam bentuk kanonik seperti itu sama sekali tidak ada ikatan antara karbon dengan ion hidrogen, dan resonansi seperti itu disebut resonansi tanpa ikatan. Hidrogen tidak pergi (karena resonansi tersebut bukanlah suatu hal yang nyata melainkan hanya bentuk kanonik yang berkontribusi ke struktur molekul nyata). Efek struktur diatas pada molekul nyata adalah elektron dalam C-H lebih dekat ke karbon daripada jika struktur diatas tidak berkontribusi (http://gigihkurniawan.blogspot.co.id/2013/11/Resonansi-Konjugasi-Hiperkonjugasi.html).

9. Tautomeri
    Bagi kebanyakan senyawa, semua molekul mempunyai struktur yang sama, apakah struktur tersebut dapat memuaskan atau tidak dinyatakan dengan struktur Lewis. Tetapi ada juga senyawa lain yang ada dalam satu campuran dari dua atau lebih senyawa yang secara struktural berbeda, dan campuran berada dalam kesetimbangan yang cepat. Jika fenomena ini (disebut tautomeri) ada maka ada pergeseran bolak-balik yang cepat antara molekul-molekul yang kesetimbangan tersebut. Di dalam peristiwa ini ada proton yang berpindah dari satu atom dalam satu molekul ke atom yang lain menjadi molekul lain (Firdaus. 2009. Kimia Organik Fisis I. Makassar : Universitas Hasanuddin).

Tautomer adalah senyawa organik yang dapat melakukan reaksi antarubahan yang disebut tautomerisasi. Seperti yang umumnya dijumpai, reaksi ini dihasilkan oleh perpindahan atom hidrogen atau proton yang diikuti dengan pergantian ikatan tunggal dengan ikatan ganda di sebelahnya. Dalam larutan di mana tautomerisasi dapat terjadi, kesetimbangan kimia tautomer dapat dicapat.

Tautomerisasi dikatalisasi oleh:

• Basa (1. deprotonasi; 2. pemebntukan anion yang terdelokalisasi (misalnya enolat); 3. protonasi pada posisi yeng berbeda pada anion).
• Asam (1. protonasi; 2. pembentukan kation yang terdelokalisasi; 3. deprotonasi pada sebelah posisi yang berbeda pada kation).

Pasangan tautomer yang umum adalah:

• keton - enol, misalnya aseton (lihat: tautomerisme keto-enol).
• amida - asam imidat, misalnya selama reaksi hidrolisis nitril.
• laktam - laktim, sebuah tautomerisme amida-asam imidat pada cincin heterosiklik, misalnya pada nukleobasa guanina, timina, dan sitosina..
• enamina - imina
• enamina - enamina, misalnya selama reaksi enzim yang dikatalisasi oleh piridoksalfosfate (https://id.wikipedia.org/wiki/Tautomer). 

Berikut adalah contoh tautomeri :

 10. Regangan Ruang

       Ikatan rangkap karbon-karbon terbentuk antara dua karbon sp² hibridisasi, dan terdiri dari dua orbital molekul yang diduduki, orbital ikatan sigma dan orbital ikatan pi. Rotasi kelompok akhir ikatan relatif ganda untuk saling memutus orbital p yang tumpang tindih yang menciptakan ikatan pi atau obligasi. Karena ikatan pi memiliki energi ikatan sekitar 60 kkal / mol, resistensi ini untuk rotasi menstabilkan konfigurasi planar kelompok fungsional ini. Akibatnya, alkena Disubstituted tertentu mungkin ada sebagai sepasang stereoisomer configurational, yang sering disebut cis dan trans. Hal penting yang harus  untuk stereoisomerisme ini adalah bahwa setiap karbon dari ikatan rangkap harus memiliki dua kelompok substituen yang berbeda (satu mungkin hidrogen). Hal ini digambarkan dengan rumus umum berikut. Dalam contoh pertama, karbon yang terdapat di kiri ikatan rangkap memiliki dua substituen yang identik (A) sehingga stereoisomerisme tentang ikatan ganda tidak mungkin (membalikkan substituen pada karbon-kanan memberikan konfigurasi yang sama). Dalam dua contoh berikutnya, setiap atom karbon ikatan rangkap memiliki dua kelompok substituen yang berbeda dan stereoisomerisme ada, terlepas dari apakah dua substituen pada satu karbon yang sama dengan yang di sisi lain.   

    Beberapa contoh stereoisomerisme configurational ini (kadang-kadang disebut isomer geometri) ditunjukkan di bawah ini. Perhatikan bahwa sikloalkena lebih kecil dari delapan karbon tidak bisa eksis dalam konfigurasi trans stabil karena regangan cincin. Pembatasan yang sama berlaku terhadap sikloalkuna lebih kecil dari sepuluh karbon. Pada alkuna yang berbentuk linear, tidak ada stereoisomerisme terkait dengan ikatan karbon-karbon tiga.

(https://www.blogger.com/blogger.g?blogID=8235699381854191057#editor/target=post;postID=7613523379594864466).

Berikut adalah tabel regangan ruang atau regangan cincin dari senyawa sikloalkana :

 

 

 

k