Kimia Organik Fisik

KIMIA ORGANIK FISIK 

Mempelajari kimia organik fisik pada hakekatnya adalah mengkaji aspek fisik dari suatu senyawa organik. Dengan mengetahui secara baik aspek fisik suatu molekul organik maka dapat dirancang suatu sintesa molekul target tertentu dengan pendekatan diskoneksi terutama mensintesis suatu senyawa yang bermanfaat khususnya untuk obat-obatan yang secara alami kadarnya sangat rendah dalam makhluk hidup. Dalam perancangan suatu sintetik mutlak memahami reaktivitas starting material, jenis dan mekanisme reaksinya serta kemungkinan reksi samping yang terjadi dan bagaimana agar suatu reaksi bersifat kemoselektif.

Dalam kimia organik fisik terdapat beberapa hal yang dikaji yaitu : 

1. Keelektronegatifan 
2. Ikatan Hidrogen 
3. Gaya van Der Waals
4. Polarizabilitas
5. Gugus Fungsi 
6. Efek Induksi 
7. Efek Resonansi 
8. Hiperkonjugasi 
9. Tautomeri 
10. Regangan Ruang

1. Keelektronegatifan 

Keelektronegatifan adalah kecenderungan suatu atom untuk bermuatan negatif atau untuk menangkap elektron dari atom lain. Besarnya keelektronegatifan dapat diukur dengan menggunakan skala Pauling. Harga skala Pauling berkisar antara 0,7 – 4,0.

Skala Pauling adalah skala yang dikenalkan pertama sekali tahun 1932, dan merupakan skala yang paling sering digunakan dalam pengukuran elektronegativitas suatu unsur.  Fluor (unsur yang paling elektronegatif) diberikan skala Pauling dengan harga 4.0, dan harganya menurun sampai cesium dan fransium yang setidaknya hanya memiliki elektronegatifitas pada skala 0.7 

 2. Ikatan Hidrogen 

Ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antar molekul atau antar dipol-dipol yang terjadi antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Walaupun lebih kuat dari kebanyakan gaya antarmolekul, ikatan hidrogen jauh lebih lemah dari ikatan kovalen  dan ikatan ion . Dalam makromolekul seperti protein dan asam nukleat, ikatan ini dapat terjadi antara dua bagian dari molekul yang sama. dan berperan sebagai penentu bentuk molekul keseluruhan yang penting.

Ikatan hidrogen terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas (lone pair electron). Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen dengan besar ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1-2 kJ mol⁻¹) hingga tinggi (>155 kJ mol⁻¹).

Kekuatan ikatan hidrogen ini dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut. Semakin besar perbedaannya, semakin besar ikatan hidrogen yang terbentuk.Ikatan hidrogen memengaruhi titik didih suatu senyawa. Semakin besar ikatan hidrogennya, semakin tinggi titik didihnya. Namun, khusus pada air (H₂O), terjadi dua ikatan hidrogen pada tiap molekulnya. 

Akibatnya jumlah total ikatan hidrogennya lebih besar daripada asam florida (HF) yang seharusnya memiliki ikatan hidrogen terbesar (karena paling tinggi perbedaan elektronegativitasnya) sehingga titik didih air lebih tinggi daripada asam florida. Ikatan hidrogen juga sangat berpengaruh pada spektroskopi. Contoh yang paling nyata adalah pada Spektroskopi inframerah , di mana adanya ikatan hidrogen akan memperlebar stretching.

 3. Gaya Van der Waals 

Gaya van der Waals adalah interaksi lemah antara molekul yang melibatkan dipol. Molekul polar memiliki interaksi dipol-dipol permanen.Jenis pertama dari gaya antarmolekul yang kita akan membahas disebut van der Waals, setelah kimiawan Belanda Johannes van der Waals (1837-1923). Gaya van der Waals adalah gaya antarmolekul yang paling lemah dan terdiri dari gaya dipol-dipol dan gaya dispersi.

Gaya dipol-dipol adalah gaya tarik menarik yang terjadi antara molekul polar. Sebuah molekul hidrogen klorida memiliki atom hidrogen sebagian positif dan atom klor sebagian negatif. Dalam kumpulan banyak molekul hidrogen klorida, mereka akan mensejajarkan diri agar daerah bermuatan sebaliknya dari molekul tetangga berdekatan satu sama lain. 

Gaya dispersi juga dianggap sebagai jenis van der Waals dan yang paling lemah dari semua gaya antarmolekul. Mereka sering disebut Gaya London setelah Fritz London (1900-1954), yang pertama kali mengajukan keberadaan mereka pada tahun 1930. Gaya dispersi London adalah gaya antarmolekul yang terjadi antara atom dan antara molekul nonpolar akibat gerakan elektron.

 4. Gugus Fungsi 

Atom atau kelompok atom yang paling menentukan sifat suatu senyawa dan merupakan ciri khas dari suatu deret homolog kimia karbon disebut gugus fungsi. Jika etana (C2H6) memiliki deret homolog alkana, dan satu atom H-nya digantikan dengan gugus alkohol (—OH) maka menjadi C2H5OH. Maka, akan berdampak pada perubahan sifat senyawa (fisis dan kimia) dari etana ke etanol (C2H5OH). Kesimpulan: gugus fungsi akan membuat sifat dan struktur alkana berubah, tetapi masih dalam satu deret homolog.Nah, di bawah ini adalah daftar dari gugus fungsi senyawa karbon:

1. Gugus fungsi —OH (alkohol atau alkanol)
   Pada pembahasan di atas etana berbeda dengan etanol. Etanol termasuk ke dalam gugus alkohol karena mempunyai gugus fungsi —OH dalam rumus kimianya (C2H5OH). Seperti pada pelajaran sifat koligatif larutan, alkohol mudah menguap jadi sering digunakan untuk parfum.
2. Gugus fungsi —O— (eter atau alkoksialkana)
   Disebut alkosialkana karena penggabungan dari kata: Al , oksi, alkana. Yang artinya (ambil contoh CH3—CH2—O—H3)
   ^^^Al = adalah rantai karbon sebelah kiri eter yaitu CH3—CH2 atau C2H5 (etil)
   ^^^O = eter (—O—)
   ^^^Alkana = adalah alkana yang atom H-nya menjadi gugus alkil yaitu CH3
3. Gugus fungsi —CHO (aldehida atau alkanal)
   Disebut alkanal karena mempunyai gugus mirip dengan alkohol dan asam karboksilat, ada OH dan COOH-nya. Nah, dalam aldehida terdapat dalam formalin dan pengawetan mayat
4. Gugus fungsi —CO— (keton atau alkanon)
   Gugus fungsi ini disebut keton karena mengandung atom karbon dan oksigen berjumlah satu (1). Karbon mewakili hurus Ke, dan oksigen mewaklili huruf ton dalam nama turunan alkana keton. Keton biasanya digunakan untuk pembersih kuku.
5. Gugus fungsi —COOH (asam karboksilat atau asam alkanoat)
   Turunan alkana satu ini berbeda sama sekali karena nantinya dalam tata nama senyawa, hanya asam karboksilat-lah yang menggunakan nama depan asam serta menandakannya dengan huruf yunani alpha, beta, gamma, dan omega. Contohnya CH3COOH dalam asam cuka
6. Gugus fungsi —COOR (ester atau alkil alkanoat)
   Disebut alkil alkanoat karena R mewakili alkil, dan COO mewakili alkanoat dalam gugus fungsinya. Nama ester hampir mirip dengan nama eter, jadi harus hati-hati ya dalam tata namanya nanti
7. Gugus fungsi —X (haloalkana atau alkil halida)
   Turunan alkana satu ini mempunyai nama yang unik yaitu haloalkana, seolah-olah menyapa turunan alkana gitu lho. Ckckck. Gugus X dalam turunan alkana ini adalah atom-atom halogen (golongan VIIA). Alkil halida disebut juga monohaloalkana.

5. Efek Induksi

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 mesti 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^-. 

6. Efek Hiperkonjugasi dan Efek Mesomeri

Distribusi electron dapat terjadi dalam rantai karbon tak jenuh, khususnya dalam system terkonjugasi, melalui orbital π. Contohnya adalah gugus karbonil, tidak dapat hanya digambarkan dengan struktur sederhana (a) saja, maupun dengan dipole (b) yang diperoleh dari pergeseran electron π. Struktur yang sebenarnya adalah (c), yaitu suatu hybrid dari (a) dan (b) yang merupakan bentuk kononikal. Efek induksi juga dapat terjadi, seperti ditunjukan pada (c), namun efek induksi akan sangat kecil dibandingkan dengan efek mesomeri sebab electron σ kurang dapat terpolarisasi dan oleh karenanya kurang siap untuk bergeser daripada electron π.

Jika gugus C=O terkonjugasi dengan C=C,  polarisasi di atas dapat diteruskan lebih lanjut oleh electron π, contohnya: Delokalisasi terjadi, sehingga pada C₃ terjadi kekurangan electron, begitu jugan dengan C₁. Perbedaan antara transmisi dengan system terkonjugasi ini dengan efek indutif dalam suatu system jenuh adalah bahwa di sini efek kekurangan electron disebabkan oleh transmisi tersebut, dan polaritasnya bergantian antara atom karbon yang berdekatan.

Stabilisasi dapat terjadi dengan delokalisasi ion bermuatan positif atau negative dengan orbital πStabilisasi anion penoksida (2), dengan delokalisasi muatannya dengan delokalisasi orbital π pada inti, hal ini menyebabkan fenol bersifat asam (fenol lebih asam dari alcohol tetapi lebih rendah dari asam karboksilat)

             

Efek mesomerik, mirip dengan efek induksi, efeknya terpolarisasi secara ermanen dalam keadaan dasar molekul, dan oleh karena itu dinyatakan dalam sifat fisika senyawanya. Mesomeri hanya dapat terjadi pada senyawa tak jenuh, namun efek induktif dapat terjadi pada senyawa jenuh maupun tak jenuh. Efek induksi hanya terbatas pada jarak yang terbatas, sedangkan efek mesomeri dapat terjadi sepanjang molekul masih menyediakan system terkonjugasi.

7. Tautomeri 

Suatu senyawa karbonil dengan suatu hidrogen alfa yang bersifat asam, dapat berada dalam dua bentuk yang disebut tautomer : suatu tautomer keto dan sebuah tautomer enol. Tautomer adalah isomer-isomer yang berbeda satu dengan yang lainnya hanya pada posisi ikatan rangkap dan sebuah atom hidrogen berhubungan. Tautomer keto suatu senyawa karbonil mempunyai struktur karbonil seperti diharapkan. 

Tautomer enol (dari –ena+-ol) yang merupakan suatu alcohol vinilik, terbentuk dengan serah-terima sebuah hidrogen asam dari karbon α ke oksigen karbonil. Karena atom hidrogen berada dalam posisi yang berlainan, kedua bentuk tautometrik ini bukanlah struktur-resonansi, melainkan dua struktur berlainan yang berada dalam kesetimbangan. (harus diingat bahwa struktur-struktur resonansi berbeda hanya dalam posisi elektron).

 
Kuantitas relative enol versus keto dalam suatu cairan murni dapat diperkirakan dengan spektroskopi inframerah atau nmr. Aseton terutama ada dalamketo (99,99% menurut prosedur titrasi khusus). Kebanyakan aldehida dan keton yang sederhana juga terutama ada dalam bentuk keto; tetapi, 2,4-pentanadion terdiri dari 80% enol! Bagaimana perbedaan besar ini dapat dijelaskan? Perhatikan struktur tautomer 2,4-pentanadion:

Bentuk enol tidak hanya memiliki ikatan rangkap berkonjugasi, yang sedikit menambah kestabilan, tetapi juga memiliki susunan yang sedemikian rupa sehingga mmemungkinkan terbentuknya ikatan hidrogen internal, yang membantu menstabilkan tautomer ini.

Tatomeri dapat mempengaruhi kereaktivan suatu senyawa. Suatu pengecualian terhadap sifat keton yang tidak mudah teroksidasi, ialah oksidasi keton yang memiliki sekurang-kurangnya suatu hidrogen alfa. Suatu keton yang dapat menjalani tautomeri dapat dioksidasi oleh zat-pengoksidasi kuat pada ikatan rangkap karbon-karbon (dari) tautomer enolnya. Rendemen reaksi ini tidak diguakan untuk kerja sinetik, tetapi  sering digunakan dalam penuturan struktur.

8. Regangan Ruang 

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, disusul dengan 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 siklopentana konformasinya mengakibatkan keempat atom karbonnya berada dalam satu bidang dan atom karbon kelima membentuk ikatan bengkok. 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. Salah satu contohnya adalah pada 1,2-dimetilsiklopentana. Dalam penggambaran strukturnya, cincin siklopentana digambarkan sebagai segilima datar, dengan ketentuan bila kedua substituennya terletak pada sisi yang sama dari bidang cincin dinamakan isomer cis, sedangkan bila berseberangan dengan bidang cincin dinamakan isomer trans. Pada sikloheksana juga dijumpai isomer-isomer cis-tans, yang bila digambarkan dengan konformasi kursi, yang masing-masing substituen dapat berposisi aksial atau ekuatorial. Sifat-sifat fisika dan kimia sikloalkana hampir sama dengan alkana, yaitu nonpolar, titik didih dan titik leburnya sebanding dengan berat molekulnya, dan inert (lambat bereaksi dengan senyawa lain). Reaksi sikloalkana dengan oksigen dapat menghasilkan CO₂ dan H₂O, sedangkan dengan halogen terhadi reaksi substitusi atom H oleh atom halogen. Khusus untuk siklopropana dan siklobutana, dengan kondisi reaksi khusus, dapat mengalami pemutusan cincin. 

Sumber : 
https://yustikaforict.wordpress.com/kimia-universitas/kimia-organik/kimia-organik-fisik/
http://tatangsma.com/2015/07/pengertian-keelektronegatifan-dan-skala-pauling.html
https://id.wikipedia.org/wiki/Elektronegativitas
https://id.wikipedia.org/wiki/Ikatan_hidrogen
http://ilmualam.net/pengertian-gaya-van-der-waals.html
https://amaldoft.wordpress.com/2015/10/26/gugus-fungsi-dan-senyawa-turunan-alkana-turunan-alkana/
http://aura28.blogspot.co.id/2012/10/efek-induksi-dan-mesomeri.html
http://atom-green.blogspot.co.id/2013/10/tautomeri.html
https://isepmalik.wordpress.com/2012/04/21/sikloalkana/