heterosiklik

KIMIA HETEROSIKLIK  SENYAWA HETEROSIKLIS : Senyawa organik yang di dalam lingkar siklisnya terdapat atom-atom selain atom karbon. Misalnya : atom N, O, S

Berdasarkan bentuk lingkar siklisnya senyawa heterosiklik digolongkan menjadi :

Senyawa Heterosiklis Lingkar Tiga

O

S

N

OXIRANE

TIIRANE

H AZIRIDINE

O

S

OXIRENE

TIIRENE

N

N H 2-AZIRINE

1-AZIRINE

Senyawa Heterosiklis Lingkar Empat

H

O

oxetane

O

oxetene

S

thietane

N

azetidine

H S

thietene

N

N

1-azetine

2-azetine

 Bahan Ajar Heterosiklik-1 Heterosiklik- 1

Senyawa Heterosiklis Lingkar Lima

N

O

S

H

tetra hidrofuran

tetrahidrotiofen

Pirolidine

N

O

S

N

N

O

H

Furan

Tiofen

H

2-hidropirol

2-hidrofuran

2-hidrotiofen

3-furolene

3-tiolen

Pirol

3-pirroline

S

Senyawa Heterosiklis Lingkar Enam

N O

H

S

oxosikloheksana

piperidine

tios iklohek sana

O

N

gamma-piran

piridine

S

tiosikloheksadiena

Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai 2 atom lain selain atom karbon dalam lingkar siklisnya. N

N

N

N

O

S

N

N

oxazole

tiazole

H

pirazole

imidazole

 Bahan Ajar Heterosiklik-2 Heterosiklik- 2

O

N

N

N

N

pirimidine

pirazine

piridazine

N

morpholine

N

N

Ada pula senyawa heterosiklis yang mempunyai lingkar siklis lebih dari satu N

N N N N

purine

indole

N

N N

karbazole

quinoline

isoquinoline

Disamping cara penggolongan di atas, senyawa heterosiklis dapat pula digolongkan menjadi : A. Senyawa heterosiklis non aromatik  B. Senyawa heterosiklis aromatik 

A. Senyawa heterosiklis non aromatik 

Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon, namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa rantai terbuka (alifatik) Contohnya : O

O

O

C

C

C O

C O

O

phtal-imida

O

C

C

anhidrida asam suksinat

NH

NH

O

O

suksin-imida

dioxan

 Bahan Ajar Heterosiklik-3

O R R

CH

C

C O

R

O

O

gamma-lakton

B.

O

asetal lingkar 

turunan epoksida

Senyawa heterosiklis aromatik 

Senyawa-senyawa yang dalam lingkar heterosiklisnya mengandung atom selain karbon, namun sifat-sifatnya sama dengan senyawa-senyawa aromatik lainnya. Agar suatu sistem cincin bersifat aromatik, terdapat tiga kriteria yang harus dipenuhi : 1. Sistem cincin mengandung elektron π (pi) yang terdelokalisasi (terkonyugasi). 2. Sistem cincin harus datar (planar), berhibridisasi sp2. 3. Harus terdapat (4n + 2) elektron π dalam sistem cincin (aturan Huckel). Contohnya :

N

O

S

H

Furan

Tiofen

Pirol

5

N

N

N

piridine

pirazine

4

6

3

7

N2 8

1

Isokuinolin

Tata Nama Senyawa Heterosiklik Aromatik 

Sistem cincin senyawa aromatik heterosiklik juga mempunyai tata nama tersendiri. Berbeda dengan senyawa lainnya, penomoran pada cincin heterosiklik ditetapkan  berdasarkan perjanjian dan tidak berubah bagaimanapun posisi substituennya. Penomoran  beberapa senyawa heterosiklik adalah sbb : 4

N3

4 3

5 6

N

2

4

N3 2

5

S

1

1

Piridin

Tiazol

2

5

N1 H Imidazol

5

4

6

7 8

N 1

Kuinolin

5 3

6

2

7

4 3

N2 8

1

Isokuinolin

 Bahan Ajar Heterosiklik-4

Bila suatu senyawa heterosiklik, hanya mengandung satu heteroatom, maka huruf Yunani dapat juga digunakan untuk menandai posisi cincin

N

N Piridin

H Pirol

Struktur Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Agar suatu heterosiklik dengan cincin lima anggota bersifat aromatik, heteroatom itu harus memiliki dua elektron untuk disumbangkan ke awan pi aromatik. Pirol, furan dan tiofen semuanya memenuhi persyaratan ini, sehingga dapat bersifat aromatik.

N

O

S

H Pirol

Furan

Tiofen

Penjelasan Struktur berdasarkan Teori Ikatan Valensi A. Senyawa Pirol Konfigurasi elektron keadaan dasar : 2 6 C : 1s 11

keadaan tereksitasi :

2s2 11

2p 2

1s2

2s1

1

111 1

11

1

2p 3 1

11

1

sp 2 satu elektron pi

+

dari karbon

+

H +

dua ele ktron pi

H  _ 

H

 _  +

 _ 

dari nitrogen

+ N

H

 _ 

H  _ 

 Bahan Ajar Heterosiklik-5

B. Senyawa Furan Konfigurasi elektron keada an d asar : 2 7 N : 1s 11

keadaan tereksitasi :

2s2

2p 3

11

1

1

1

1s2

2s1

111 1

111

2p 4 1

11

11

sp 3

satu elektron pi

+

dari karbon

+

H

dua el ektron pi

H

+

 _ 

 _ 

H

+

dari oksigen

+

dua elektron mandiri dari oksigen

O

 _ 

 _ 

H  _ 

C. Senyawa Tiofen Konfigurasi elektron keada an dasar : 2 8 O : 1s 11

keadaan tereksitasi :

2s2

2p 4

11

11 1

1

1s2

2s1

111 1

111

2p 5 1

111 1 1

sp 3

satu elektron pi

+

dari karbon

+

H +

dua e lektron pi

H  _ 

H

 _  +

 _ 

dari sulfur 

+ S

dua el ektron mandiri dari sulfur 

 _ 

H  _ 

 Bahan Ajar Heterosiklik-6

Struktur Hibrid Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

 _ 

 _ 

 _ 

N

N

N

H

H

H

O

 _ 

 _ 

N H

 _ 

O

O

 _ 

 _ 

Pirol

O

N

O

H

 _ 

S

 _ 

S

S

 _ 

 _ 

S

S

Makin besar jarak pemisahan muatan positif dengan negatif pada struktur hibrid menyebabkan keadaan semakin kurang stabil. Kerapatan elektron pada atom C nomor 2 dan nomor 5 lebih besar dari kerapatan elektron pada atom C nomor 3 dan 4. Kemungkinan terjadinya substitusi elektrofilik yang paling besar berada pada atom C nomor 2 dan 5.

Sifat Karakteristik Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

A. Senyawa Pirol

Karena atom nitrogen dalam pirol menyumbangkan dua elektron ke awan pi aromatik, maka atom nitrogen bersifat tuna elektron.

N H Pirol

 Bahan Ajar Heterosiklik-7

Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)

N H

Tidak seperti piridin dan amina, pirol (pKb =

N

+

H+

∼

14) tidak bersifat basa.

tidak ada kation stabil

H Pirol

B. Senyawa Furan

Karena atom oksigen dalam furan menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke awan pi aromatik, maka atom oksigen bersifat tuna elektron.

O Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)

O Berbeda dengan pirol, puran menunjukkan sifat basa yang amat lemah.

 Bahan Ajar Heterosiklik-8

C. Senyawa Tiofen

Karena atom sulfur dalam tiofen menyumbangkan dua elektron (sepasang elektron) ke awan pi aromatik, maka atom sulfur bersifat tuna elektron.

S Hal ini berdampak, cincin menjadi kaya elektron (bermuatan negatif parsial)

S Berbeda dengan pirol, tiofen juga menunjukkan sifat basa yang amat lemah.

Reaksi-reaksi pada Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima Reaksi-reaksi pada pirol

Walaupun mempunyai sepasang elektron bebas, tetapi karena adanya delokalisasi elektron dalam cincin aromatis, maka pirol tidak dapat bersifat basa, malahan bersifat asam yang sangat lemah, sehingga dapat bereaksi dengan NaNH2 ataupun KOH

KOH N

 _  N

H

K

+ H2 O

+

+ CH3 I

N CH3

 Bahan Ajar Heterosiklik-9

Dapat pula bereaksi dengan reagen grignard dengan membebaskan alkana.

+

CH3 MgBr 

+

N H

•

CH4

 _  N + MgBr 

Mengalami reaksi substitusi elektrofilik 

1. Nitrasi O CH3

C ONO2

O +

O CH3

N

C O

H CH3

5oC

C

CH3

OH

NO2

N

C

H

O

2. Sulfonasi

N SO 3 sulfopiridin 90 o

N

SO 3

N

H

H asam-2-pirolsulfonat

3. Reaksi coupling diazo

 _  + Cl N N H

+ N

NO2 N

N

N

NO2

+ HCl

H 2-piroldiazoni um klorida

 Bahan Ajar Heterosiklik-10

4. Pembentukan 2-pirol karbokaldehida

1. HCN, HCl 2.

H2 O

O

N

N

H

H

CH

NH

C

N

H H 2-pirol karbokaldehida

5. Asilasi Friedel-Craft O CH3

C O

CH3

C O

O

O

AlCl 3 , 250 o C

N

N

H

•

+

C

CH3

C OH

CH3

H

Mengalami reaksi halogenasi (brominasi) Br 

Br  Br 2 C2 H5 OH

N H

Br 

N

Br 

H 2,3,4,5-tetrabromopirol

•

Mengalami reaksi reduksi

•

Sifat kearomatikan dari pada pirol dapat dihilangkan dengan mereduksinya dengan hidrogen, pada temperatur tinggi.

N

H2 , Ni / Pt 200 - 250 o N

H pirol

H pirolidin Kb = 10 -3

Kb = 2,5 x 10 -14

Zn , HCl

N H 3-pirolin

 Bahan Ajar Heterosiklik-11

Reaksi-reaksi Furan 1. Reaksi reduksi

Sifat aromatis furan dapat dihilangkan dengan mereduksi furan menjadi tetra hidro furan H2 , Ni / Pd 50 o C

90 -93 %

O

O

furan td 31 o

tetra hidro furan td 65 o

Makin berkurang sifat aromatisnya makin tinggi titik didihnya, karena makin banyak  dapat membentuk ikatan hidrogen.  _ H O 2

CH2

CH

CH

CH2

1,3-butadiena

O tetra hidro furan

+

NH3

O

N

tetra hid ro furan

H pirolidin

+ O

HCl

Cl

CH2

CH2

CH2

CH2 OH

tetra metilen klorohidrin

tetra hidro furan

 Bahan Ajar Heterosiklik-12

2. Reaksi halogenasi

Senyawa turunan furan (asam furoat) dapat bereaksi dengan halogen, dan setelah dipanaskan terbentuklah 2-bromo furan.

O O

Br 2

C

O Br

O

OH

C

Br

O  

OH

asam furoat

+ CO2

bromo furan

Senyawa halo-furan juga dapat diperoleh dengan reaksi sebagai berikut :

HgCl 2

X2 O

O

CH3

C

HgCl

O

X

O

ONa

furan

halo-furan

Dari reaksi ini, juga dapat diturunkan senyawa furan yang tersubstitusi dengan gugus asetil.

O O

HgCl

R

O

C

O

C

Cl 2-asetil furan

R

Tetapi umumnya, 2-asetil furan dibuat dengan larutan asam asetat anhidrid yang diri garam boron triflourida eterat. O + O

HgCl

CH3

C

C2 H5

BF3 O

C2 H5

O CH3

C

O O

O

2-asetil furan

C CH3

 Bahan Ajar Heterosiklik-13



Reaksi substitusi elektrofilik 

1. Reaksi Nitrasi

O +

O O

CH3

C

C OH

NO2

O ONO2

furan

CH3

2-nitro furan

2. Reaksi Sulfonasi

+

NSO 3

O

SO 3 H

O

furan

2-furan sulfonat

Kesimpulan

• Substitusi elektrofilik berlangsung terutama pada posisi 2. • Posisi 2 (disukai). +

+

NO 2

N

N

H

H

H NO 2

+

H NO 2

+ N

+ N

H

H -H NO 2

N

H

NO 2

H

• Posisi 3 (tidak disukai). H +

H

NO 2

NO 2 +

NO 2

NO 2

+ -H

N

N

+ N

H

N

H

H

H

 Bahan Ajar Heterosiklik-14

Piridin Piridin mempunyai struktur yang serupa dengan benzena

atau N

N

Piridin

Piridin

Masing-masing atom penyusun cincin, terhibridisasi sp2 dan mempunyai satu elektron dalam orbital p yang disumbangkan ke awan elektron

+  _ 

+  _ 

+  _  +

+  _ 

N +  _   _ 

π

aromatik.

Perhatikan perbedaan antara benzena dan piridin

Benzena bersifat simetris dan nonpolar, tetapi piridin mengandung satu nitrogen yang  bersifat elektronegatif, sehingga bersifat polar.

N

Pembentukan kation menyebabkan cincin semakin bersifat tuna elektron

N+  _  FeBr  3

 Bahan Ajar Heterosiklik-15

Cincin

piridin

mempunyai

kereaktivan

rendah

terhadap

substitusi

elektrofilik 

dibandingkan dengan benzena. Piridin tidak mengalami alkilasi atau asilasi Friedel-Crafts maupun kopling garam diazonium. Brominasi berlangsung hanya pada temperatur tinggi dalam fase uap dan agaknya berlangsung dengan jalan radikal bebas. Bila terjadi substitusi, akan berlangsung pada posisi 3.

N

Br 

Br 

Br 2 300o

Br 

+ N

N 3-bromopiridin

3,5-dibromopiridin

Perbedaan lainnya, nitrogen dalam piridin mengandung sepasang elektron mandiri dalam orbital sp2. Pasangan elektron ini dapat disumbangkan ke suatu ion hidrogen, sehingga   piridin bersifat basa. Kebasaan piridin (pKb = 8,75) jauh dari kebasaan amina alifatik  (pKb = 4), tetapi piridin menjalani banyak reaksi khas amina

+ N H Cl-

HC l

N

piridinium klorida CH 3 I

piridin

+ NCH 3 I-

N-metilpiridinium iodida

Seperti benzena, cincin aromatik piridin bertahan terhadap oksidasi, tetapi rantai samping dapat dioksidasi menjadi gugus karboksil. CH 3

KMnO4, H 2O, H+

COOH asam benzoat

toluena CH 3

COOH KMnO4, H 2O, H+

N 3-metilpiridin

N asam 3-piridinakarboksilat (asam nikotinat)

 Bahan Ajar Heterosiklik-16

Substitusi Nukleofilik pada Cincin Piridin

Bila suatu cincin benzena disubstitusi dengan gugus penarik elektron, seperti –NO2 maka substitusi nukleofilik aromatik sangat dimungkinkan. NO2

NO2 O2N

NH3

Cl

O2N

NH 2

 Nitrogen dalam piridin menarik rapatan elektron dari bagian lain cincin itu, sehingga  piridin juga mengalami substitusi nukleofilik. Substitusi berlangsung paling mudah pada  posisi 2, diikuti oleh posisi 4, tetapi tidak pada posisi 3.

NH3

Br  kalor 

N

2-bromopiridin

N

NH 2

2-aminopiridin

Cl

NH 2 NH3 kalor 

N

N 4-aminopiridin

4-kloropiridin

Posisi 2 (disukai) NH 3 N

Br 

penyumbang utama

 _  NH 2

-H+ N

Br 

N

 _  NH 2 N

Br 

NH 2 N  _ 

NH 2

- Br -

Br 

struktur-struktur resonansi untuk zat antara

Zat antara pada substitusi C-2, terstabilkan oleh sumbangan struktur resonansi dalam mana nitrogen mengemban muatan negatif.

 Bahan Ajar Heterosiklik-17

Posisi 3 (tidak disukai) NH 2 Br  NH 2 N N NH 2 -H+

NH 2

Br   _ 

Br 

 _ 

N

 _  NH 2 Br 

N

- Br -

N

struktur-struktur resonansi untuk za t antara

Substitusi pada posisi C-3 berlangsung lewat zat antara dalam mana nitrogen tak dapat membantu menstabilkan muatan negatif, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi yang menyebabkan laju reaksi lebih lambat. 

Benzena tanpa subtituen, tidak mengalami substitusi nukleofilik.

+



 _  NH 2

100o

tidak ada reaksi

Piridin mengalami substitusi nukleofilik, jika digunakan basa yang sangat kuat,

seperti reagensia litium atau ion amida.

+ N

 _  NH 2

100o - H2

 _  H2O NH

N

+ OHN

NH 2

2-aminopiridin

+ N

o Li 100

+

LiH

N 2-fenilpiridin

 Bahan Ajar Heterosiklik-18

Dalam reaksi antara piridin dengan ion amida (NH2-), produk awal terbentuk adalah anion dari 2-aminopiridin, yang kemudian diolah dengan air, sehingga menghasilkan amina  bebas. Tahap 1 (serangan NH 2-)

N

 _  NH 2  _ 

 _  H N  _ 

H

H

N

NH 2

- H-

N

NH 2

NH 2

struktur-struktur resonansi untuk zat antara

+ N

N

 _  H

H

 _  NH

N

H

+

H2

anion dari 2-aminopiridin

Tahap 2 (pengolahan dengan air)

N

 _  NH

+

 _  + OH

H 2O N

NH 2

2-aminopiridin

Kuinolin dan Isokuinolin

Kuinolin dan isokuinolin, keduanya merupakan basa lemah (pKb masing-masing 9,1 dan 8,6). Kuinolin dan isokuinolin, keduanya menjalani substitusi elektrofilik dengan lebih mudah dari piridin, tetapi dalam posisi 5 dan 8 (pada cincin benzenoid, bukan pada cincin ntrogen) NO2

N Kuinolin

HNO3 H2 SO 4 0o

+ N 5-nitrokuinolin (52%)

N NO2 8-nitrokuinolin (48%)

 Bahan Ajar Heterosiklik-19

NO2 HNO3 H2 SO 4 0o

N Isokuinolin

+

N 5-nitroisokuinolin (90%)

N NO2 8-nitroisokuinolin (10%)

Seperti piridin, cincin kuinolin dan isokuinolin yang mengandung nitrogen dapat menjalani substitusi nukleofilik. (1) NH2 (2) H2 O

N Kuinolin

N

NH 2

2-aminokuinolin

(1) CH3 Li

N

N

(2) H2 O

Isokuinolin

CH 3 1-metilisokuinolin

Posisi serangan adalah

α

terhadap nitrogen dalam kedua sistem cincin itu, tepat sama

seperti di dalam piridin.

Porfirin

Sistem cincin porfirin terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh gugus =C-. Sistem cincin keseluruhan bersifat aromatik.

N H N

N H N

Porfirin

 Bahan Ajar Heterosiklik-20

Sistem cincin porfirin merupakan satuan yang secara biologis sangat penting khususnya dalam : heme, komponen hemoglobin yang mengangkut oksigen. HO CCH CH 2 2 2

CH

N

HO CCH CH 2 2 2

CH

Fe

N CH

3

N CH=CH

N

3

3

CH

CH =CH 2

2

3

Heme

Klorofil, suatu pigmen tumbuhan. CH

CH

N

3

CH

Mg

N C

CH=CH 2

3

H O CCH CH 20 39 2 2 2

3

N CH -CH 2 3

N

CH O C 3 2

CH O

3

Klorofil-a

Sitokrom, senyawa yang terlibat dalam pemanfaatan O2 oleh hewan. CH HO CCH CH 2 2 2 HO CCH CH 2 2 2 N CH

3

3

N Fe

CH N

CO CHSCH CH 2 NH CH 3

N

CO CHCH S 2 NH

3

CH

3

Sitokrom c

Hidrogen-hidrogen pirol dalam cincin porfirin dapat digantikan oleh aneka ragam ion logam (kelat)

 Bahan Ajar Heterosiklik-21