ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN MATERI KEDUA

Tujuan Pembelajaran:

1.       Menggambarkan orbital hibrida nitrogen dan oksigen

2.       Membandingkan tingkat kesetabilan senyawa dengan ikatan rangkap terkonjunggasi dan terisolasi

Bahan Kajian:

1.       Orbital Hibridisasi Nitrogen dan Oksigen

2.       Ikatan rangkap terkonjungasi

3.       Benzena dan resonasi

1.       ORBITAL HIBRIDA DARI NITROGEN DAN OKSIGEN

A.      Amina

Banyak gugus fungsi penting dalam senyawa organic mengandung nitrogen atau oksigen. Secara elektronika, nitrgon sama dengan karbon, dan orbital atom dari nitrogen berhibridasi menurut cara yang sangat bersamaan dengan karbon.

Molekul ammonia mengandung atom nitrogen sp3 yang terikat pada tiga atom nitrogen. Molekul amina mmepunyai struktur yang sama. Suatu atom nitrogen sp3 terikat pada satu atau lebih atom karbon. Dalam baik ammonia atau amina, nitrogen mempunyai satu orbital yang terisi dengan sepasang electron valensi menyendiri.

Pasangan electron menyendiri dalam orbital terisi pada nitrogen ammonia dan amina. Memungkinkan senyawa ini berfungsi sebagai basa. Bila amina diperlukan dengan asam, electron yang tak terbagi digunakan untuk membentuk ikatan dengan asam. Dan hasilnya adalah garam amina.

Seperti halnya dengan karbon, nitrogen ditemukan juga dalam senyawa organic dalam keadaan hibrida sp3 dan sp. Sekali lagi, perbedaan penting antara nitrogen dan karbon adalah bahwa satu orbital dari nitrogen terisi dengan sepasang electron menyendiri.

B.      Air, alcohol, dan eter

Seperti karbon dan nitrogen membentuk ikatan dengan orbital hibrida sp3. Karena oksigen mmepunyai electron ikatan, ia membentuk dua ikatan dan mempunyai dua orbital berisi. Air adalah contoh senyawa yang mengandung oksigen sp3. Sudut ikatan dalam air telah ditentukan yaitu sbesar 104,5 ⁰ dan bukan 109,5 ⁰ yang ideal. Diperkirakan bahwa orbital dengan electron menyendiri menekan sudut iakatan H-O-H. seperti hal nya terisi dalam ammonia menekan sudut H-N-H.

Ada sejumlah senyawa organic yang mengandung atom oksigen sp3. Untuk sekarang ditinjau hanya dua, yaitu alcohol dn eter. Ikatan terhadap dalam alcohol dan eter adalah lansung  analog dengan ikatan dalam air. Dalam setiap keadaan, oksigen terhibridisasi sp3 dan mmepunyai dua pasang electron valensi menyendiri.

C.      Senyawa karbonil

Gugus karbonil (C=O) mengandung atm karbon sp2 dihubungkan dengan atom oksigen oleh ikatan rangkap. Geometri gugus karbonil ditentukan oleh karbon sp3. Gugus karbonil adalah planar sekeliling sp2 trigonal.

Gugus karbonil lebih polar dari pada gugus C-O dalam akohol atau eter. Bila salah satu dari atom terikat pada karbon karbonil adalah hydrogen, maka senyawa tersebut adalah akldehida. Bila dua karbon karbonil, maka senyawanya adalah keton.

(Fessenden & Fessenden.2005:63-67)

2.       IKATAN RANGKAP TERKONJUNGASI

Molekul organic dapat mengandung lebih dari satu gugus fungsi. Dalam kebanyakan senyawa polifungsional. Ada dua cara pokok untuk menempatkan ikatan rangkap dalam senyawa organic. Dan ikatan yang bersumber pada atom berdampingan pada atom disebut ikatan rangkap konjungasi. Ikatan rangkap yang menggambarkan atom yang tak berdampingan disebut ikatan rangkap terisolasi atau tak terkonjungasi.

Ikatan rangkap terisolasi berkelakuan mandiri, masing-masing ikatan rangkap mengalami reaksi seakan-akan yang lain tak ada. Ikatan rangkap terkonjungasi, sebaliknya tak saling mandiri yang satu terhadap yang lainnya, ada interaksi elektronik yang terdapat antaranya.

Ikatan rangkap konjugasi adala ikatan rangkap selang seling dengan ikatan tunggal atau disebut juga elektronnya dapat berpindah-pindah (terdelokalisasi).ikatan rangkap keadaan yang terjadi dalam senyawa tak jenuh yang didalam nya terdapat dua ikatan tunggal( satu ikatan sigma dan ikatan pi)menghubungkan dua atom.

Ikatan rangkap terkonjugasi ialah ikatan yang kedudukan nya di selang oleh satu ikatan tunggal seperti -CH=CH-CH=-CH.Pengaturan kembali electron melalui orbital π, terutama dalam system konjugasi atau senyawa organic yang atom-atomnya secara kovalen berikatan tunggal dan ganda secara bergantian (C=C-C=C-C) dan mempengaruhi satu sama lainnya membentuk daerah delokalisasi electron disebut dengan konjugasi. Elektron-elektron pada daerah delokalisasi ini bukanlah milik salah satu atom, melainkan milik keseluruhan system konjugasi ini.

(Fessenden & Fessenden.2005:67-69)

3.       BENZENA DAN RESONASI

A.      Benzena

Benzene (C6H6) adalah senyawa siklik dengan enam atom karbon yang tergabung dalam cincn. Setiap atom karbon terhibridisasi sp2 dan cincinnya adalah planar. Benzene adalah salah satu dari golongan senyawa aromatic, senyawa yang mengandung awan pi aromatic.  Setiap atom karbon mempunyai satu atom hydrogen yang terikat padanya, dan setiap atom karbon juga mempunyai orbital p tak terhibridisasi tegak lurus terhadap bidang ikatan sigma dan cincin.

Dapat diketahui bahwa semua panjang ikatan karbon-karbon dalam benzene adalah sama, 1.40 A. keenem ikatan adalah lebih panjang dari pada ikatan rangkap C-C, tetapi lebih pendek dari ikatan tunggal C-C. bila cincin benzena mengandung tiga ikatan rangkap berkalisasi oleh tiga ikatan tunggal, ikatannya akan berbeda panjangnya. Faktanya bahwa semua ikatan karbon-karbon dalam cincin benzene memunyai panjang yang sama menyarankan bahwa cincin benzena tak mengandung ikatan tunggal dan rangkap yang saling berikatan.

(Fessenden & Fessenden.2005:69-70)

Ikatan rangkap pada benzena berbeda dengan ikatan rangkap pada alkena. Ikatan rangkap pada alkena dapat mengalami reaksi adisi, sedangkan ikatan rangkap pada benzena tidak dapat diadisi, tetapi benzena dapat bereaksi secara substitusi. Contoh:

Reaksi adisi : C₂H₄ + Cl₂ → C₂H₄Cl₂

Reaksi substitusi : C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl

Menurut Friedrich August Kekule, keenam atom karbon pada benzena tersusun secara siklik membentuk segienam beraturan dengan sudut ikatan masing-masing 120°. Ikatan antaratom karbon adalah ikatan rangkap dua dan tunggal bergantian (terkonjugasi).

Analisis sinar-X terhadap struktur benzena menunjukkan bahwa panjang ikatan antaratom karbon dalam benzena sama, yaitu 0,139 nm. Adapun panjang ikatan rangkap dua C=C adalah 0,134 nm dan panjang ikatan tunggal C–C adalah 0,154 nm. Jadi, ikatan karbon-karbon pada molekul benzena berada di antara ikatan rangkap dua dan ikatan tunggal. Hal ini menggugurkan struktur dari Kekule. 

Berdasarkan hasil analisis sinar-X maka diusulkan bahwa ikatan rangkap pada molekul benzena tidak terlokalisasi pada karbon tertentu melainkan dapat berpindah-pindah (terdelokalisasi). Gejala ini dinamakan resonansi. Untuk menggambarkan ikatan rangkap dua yang terdelokalisasi pada molekul benzena dinyatakan dengan bentuk lingkaran, seperti ditunjukkan berikut ini.

Teori resonansi dapat menerangkan mengapa benzena sukar mengalami reaksi adisi. Sebab, ikatan rangkap dua karbon-karbon dalam benzena terdelokalisasi dan membentuk cincin yang kuat terhadap reaksi kimia sehingga tidak mudah diganggu.

Pada suhu kamar, benzena berwujud cair dengan bau yang khas, tidak berwarna, bersifat racun, dan mudah terbakar. Titik didih benzena 80 °C dan titik bekunya 5,5 °C. Lihat tabel berikut.

Tabel 1. Titik Beku dan Titik Didih dari Molekul Benzena

Nama	Titik Beku (°C)	Titik Didih (°C)
Benzena	5,5	80
Naftalena	81	218
Antrasena	216	342
Metilbenzena	– 95	111
Stirena	– 31	145
o–dimetilbenzena	– 25	144
m–dimetilbenzena	– 48	139
p–dimetilbenzena	13	138

Benzena paling banyak digunakan sebagai pelarut senyawa karbon yang bersifat nonpolar dan sebagai bahan baku untuk pembuatan senyawa turunan benzena. Semua senyawa karbon yang mengandung cincin benzena digolongkan sebagai turunan benzena. Reaksi umum benzena adalah reaksi substitusi, yaitu penggantian atom H oleh gugus lain tanpa mengganggu cincin karbonnya. Contoh:

 

Untuk pertama kalinya benzena diisolasi pada tahun 1825 oleh Michael Faraday dari residu berminyak yang tertimbun dalam pipa induk gas di London. Kemudian pada tahun 1834 ditetapkan rumus molekul benzena adalah C₆H₆. Struktur yang mula-mula diusulkan pada tahun 1865 tidak mengandung ikatan rangkap karena benzena tidak mudah mengalami reaksi adisi seperti pada alkena. Struktur yang demikian ini tidak sesuai dengan tetravalensi karbon.

Agar tidak menyalahi tetravelensi karbon, pada tahun 1872 Friedrich August Kekule mengusulkan bahwa benzena mengandung tiga ikatan tunggal dan tiga ikatan rangkap yang berselang-seling.

 

Rumus struktur di atas dapat disederhanakan penulisannya menjadi:

Pengukuran spektroskopik menunjukkan bahwa molekul benzena adalah planar dan semua ikatan karbon-karbonnya sama panjang yaitu 1,39 Å. Ikatan karbon-karbon pada benzena panjangnya di antara ikatan karbon-karbon tunggal (1,47 Å) dan ikatan karbon-karbon rangkap (1,33 Å).

Ikatan karbon-karbon pada benzena terdiri atas ikatan sigma (  σ ) dan ikatan phi ( π ). Menurut teori ini ikatan valensi orbital molekul terbentuk dari tumpang tindih orbital-orbital atom. Ikatan kovalen yang terbentuk dari tumpang tindih ujung dengan ujung disebut ikatan sigma ( σ ), sedangkan ikatan kovalen yang terbentuk dari tumpang tindih sisi dengan sisi disebut ikatan phi ( π ).

 

Contoh ikatan sigma (  σ ) dari tumpang tindih orbital p – p (ujung dengan ujung).

Contoh ikatan phi ( π ) dari tumpang tindih orbital p – p (sisi dengan sisi).

 

Ikatan yang pertama antara dua atom merupakan ikatan sigma, dan ikatan yang kedua merupakan ikatan phi. Jadi ikatan tunggal adalah ikatan sigma, dan ikatan kovalen rangkap dua terdiri atas ikatan sigma dan ikatan phi.

 

Benzena mempunyai enam karbon sp² dalam sebuah cincin segi enam datar. Tiap atom karbon memiliki satu orbital p yang tegak lurus bidang cincin. Tumpang tindih keenam orbital p mengakibatkan terbentuknya enam orbital molekul sehingga terbentuk awan elektron berbentuk “donat” pada bagian atas dan bawah cincin segi enam benzena.

Referensi : S.Chand Success Guide Inorganic Chemistry Oleh G. D. Tuli, 2005 & Shriver & Atkins’ Inorganic Chemistry edisi 5, 2010

B.      Resonansi

Metana (CH₄) dan etilena (CH₂=CH₂)adalah senyawa dari organic dan struktur yang dapat digambarkan secara beralasan dengan menggunakan rumus ikatan dalam ikatan valensi tunggal. Dalam setiap hal, suatu garis menghubungkan dua lambing atom menyatakan ikatan kovalen antara dua atom.

Benzena adalah contoh suatu  senyawa organic yang tak dapat digambarksan secara teliti oleh rumus ikatan valensi tunggal. Delokalasi dari electron pi menghasilkan system dalam mana electron pi mencakup lebih dari pada dua atom. Untuk dapat menggambarkan distribusi electron pi dalam benzene dengan menggunakan rumus ikatan yang valensi klasik, harus digunakan dua rumus.

Resonansi terjadi karena adanya delokalisasi elektron dari ikatan rangkap ke ikatan tunggal. Delokalisasi elektron yang terjadi pada benzena pada struktur resonansi adalah sebagai berikut:

Hal yang harus diperhatikan adalah, bahwa lambang resonasi bukan struktur nyata dari suatu senyawa, tetapi merupakan struktur khayalan. Sedangkan struktur nyatanya merupakan gabungan dari semua struktur resonansinya. Hal ini pun berlaku dalam struktur resonansi benzena, sehingga benzena lebih sering digambarkan sebagai berikut:

Teori resonansi dapat menerangkan mengapa benzena sukar diadisi. Sebab, ikatan rangkap dua karbon-karbon dalam benzena terdelokalisasi dan membentuk semacam cincin yang kokoh terhadap serangan kimia, sehingga tidak mudah diganggu. Oleh karena itulah reaksi yang umum pada benzena adalah reaksi substitusi terhadap atom H tanpa mengganggu cincin karbonnya.

Kedua rumus ikatan valensi untuk  benzene disebut kekule untuk mengamati Frierich August Kekule., yang mengusulkan pertama kalinya 1972. Kedua struktur kokule ini dikatakan ada dalam resonasi yang satu dengan yang lainnya. Dengan aslasan struktur kokule disebut juga lambang resonasi. Bila suatu struktur molekul dapat digambarkan oleh dua atau lebih rumus ikatan valensi yang berbeda hanya kedudukannya dalam electron. Bila berbagai struktur resonasi dapat ditulis untuk senyawa, maka dapat diandaikan dengan adanya delokisasi.

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah lambing resonasi bukan sruktur nyata. Untuk menunjukkn bahwa dua atau lebih rumus dapat menggambarkan struktur resnasi dan bukan struktur nyata dalam keseimbangan. Senyawa aromatic bukan hanya satu-satunya senyawa yang rumus ikatan valensi tunggalnya kurang cocok. Gugus nitro (-NO₂) adalah gugus atom yang paling baik untuk diterangkan dengan menggunakan struktur resonasi. Suatu struktur ikatan valensi tunggal untuk gugus nitro menunjukkan dua jenis ikatan N-O. namun demikian, telah diketahui bahwa dua ikatan N-O panjangnya sama. Dua struktur ikatan valensi yang diperlukan struktur nyata dari gugus NO₂ adalah diantara kedua struktur tersebut. Untuk menunjukkan bahwa ikatan dari nitrogen terhadap oksigen dalam gugus NO₂ adalah sama, beberapa ahli kimia menyatakan gugus nitro dengan garis titik-titik untuk ikatan rangkap parsial.

(Fessenden & Fessenden.2005:70-72)