Kimia Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

22Alkohol: Mengaktifkan Gugus OH

Alkohol ada di mana-mana: dibuat berton-ton dari alkena dan dari fermentasi, dihasilkan oleh setiap adisi Grignard pada bab sebelumnya. Namun, alkohol tidak mengalami substitusi seperti haloalkana: gugus OH harus pergi sebagai ion hidroksida, sebuah basa kuat dan gugus pergi yang sangat buruk (Bab 19). Para kimiawan mempunyai tiga jawaban. Lepaskan proton OH-nya, maka alkoksidanya menjadi nukleofil yang kuat. Tambahkan sebuah proton, maka gugus perginya menjadi air. Atau gantikan hidrogennya dengan gugus yang menjadikan oksigen itu bagian dari gugus pergi yang sangat baik, tanpa menyentuh karbonnya. Bab ini mengikuti ketiga jalan itu, beserta pilihan mekanisme dan stereokimia yang menyertainya.

Yang sudah kamu ketahui

SN1, SN2, dan stereokimianya (Bab 19); E1, E2, dan aturan Zaitsev (Bab 20); tetapan keasaman dan metode reaksi predominan (Bab 10); pengaruh gugus alkil terhadap keasaman alkohol (Latihan 18.11).

22.1 Alkohol sebagai asam: alkoksida

Definisi 22.1 (Alkoksida)

Alkoksida adalah basa konjugasi $\ce{RO-}$ dari alkohol $\ce{ROH}$ : metoksida $\ce{CH3O-}$ , etoksida $\ce{CH3CH2O-}$ , tert-butoksida $\ce{(CH3)3CO-}$ . Alkoksida adalah basa kuat dan nukleofil yang baik.

Proposisi 22.2 (Keasaman alkohol)

Alkohol adalah asam yang lebih lemah daripada air atau kira-kira sama lemahnya: $\mathrm{p}K_a$ 15.5 (metanol), 15.9 (etanol), 17.1 (propan-2-ol), 19.2 (2-metilpropan-2-ol), dibandingkan dengan 14.0 untuk pasangan $\ce{H2O}$ / $\ce{OH-}$ . Karena itu hidroksida hanya mendeprotonasinya sebagian; konversi sempurna menjadi alkoksida memerlukan basa yang lebih kuat atau logam alkali.

Bukti. Reaksi $\ce{ROH + OH- <=> RO- + H2O}$ mempunyai $K = 10^{14.0 - \mathrm{p}K_a(\ce{ROH})}$ , antara $10^{-1.5}$ dan $10^{-5}$ : tidak menguntungkan. Logam natrium mereduksi protonnya, $\ce{2ROH + 2Na -> 2RO- + 2Na+ + H2}$ , dan ion hidrida dari natrium hidrida mengambilnya secara tak reversibel, $\ce{ROH + H- -> RO- + H2}$ : hidrogennya lepas, dan reaksinya sempurna berapa pun tetapan kesetimbangannya. ∎

Di laboratorium — Natrium hidrida

Natrium hidrida dijual sebagai serbuk abu-abu yang terdispersi dalam minyak mineral, yang melindunginya dari kelembapan udara. Zat itu bereaksi hebat dengan air dan melepaskan hidrogen yang mudah menyala; zat itu ditimbang dengan cepat, ditambahkan sedikit demi sedikit ke dalam alkohol yang kering di bawah gas inert, dan gelembung hidrogen memperlihatkan kemajuan deprotonasinya. Hidrida yang berlebih dirusak pada akhirnya dengan menambahkan sebuah alkohol secara perlahan, tidak pernah air.

22.2 Sintesis eter Williamson

Definisi 22.3 (Sintesis eter Williamson)

Sintesis eter Williamson membuat eter $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ melalui reaksi SN2 sebuah alkoksida $\ce{RO-}$ pada haloalkana (atau ester sulfonat) $\mathrm{R'{-}X}$ .

Sintesis Williamson metoksietana: etoksida menyerang karbon iodometana dari sisi yang berseberangan dengan iodin (SN2).

Metode 22.4 (Memilih kedua pasangan reaksi)

Eter $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ dapat dipotong di kedua sisi oksigennya.

Tuliskan kedua pasangan yang mungkin: $\ce{RO-}$ dengan $\mathrm{R'X}$ , dan $\mathrm{R'O^-}$ dengan $\ce{RX}$ .
Pertahankan pasangan yang halidanya metil atau primer: SN2 memerlukan karbon yang tidak terhalang.
Tolak pasangan dengan halida tersier: alkoksida, sebuah basa kuat, malah akan melakukan eliminasi (E2).
Dengan halida sekunder, harapkan campuran eter dan alkena.

Contoh 22.5 (Eter yang tidak simetris)

2-Metoksi-2-metilpropana (metil tert-butil eter): natrium tert-butoksida dengan iodometana menghasilkannya dengan bersih; natrium metoksida dengan bromida tersier, 2-bromo-2-metilpropana, menghasilkan 2-metilpropena melalui E2. Gugus meruah di sisi alkoksida, gugus kecil di sisi halida.

22.3 Mengaktifkan gugus OH

Definisi 22.6 (Ester sulfonat)

Ester sulfonat $\mathrm{R{-}O{-}SO_2{-}R'}$ terbentuk dari alkohol dan sulfonil klorida $\mathrm{R'SO_2Cl}$ dengan adanya basa (piridina). Tosilat, $\ce{R-OTs}$ , berasal dari 4-metilbenzenasulfonil klorida (tosil klorida); mesilat, $\ce{R-OMs}$ , dari metanasulfonil klorida. Anion sulfonat $\mathrm{R'SO_3^-}$ , basa konjugasi sebuah asam kuat yang distabilkan oleh resonansi atas tiga oksigen, adalah gugus pergi yang sangat baik.

Tosilasi sebuah alkohol. Ikatan O–H digantikan oleh O–S; ikatan C–O alkohol tidak tersentuh. Piridina mengikat HCl yang terbentuk.

Proposisi 22.7 (Konfigurasi melalui tosilasi dan substitusi)

Tosilasi alkohol pada karbon stereogenik mempertahankan konfigurasinya (retensi); substitusi SN2 berikutnya terhadap tosilat membaliknya. Kedua tahap bersama-sama menggantikan OH dengan sebuah nukleofil disertai inversi.

Bukti. Dalam tosilasi, ikatan yang berubah adalah O–H dan S–Cl: oksigen alkohol menyerang belerang dan hidrogennya berpindah ke basa. Tidak ada ikatan ke karbon stereogenik yang putus, sehingga susunan di sekitarnya tetap sama. Dalam tahap SN2, ikatan C–O putus sementara nukleofil berikatan di sisi yang berseberangan (Proposisi 19.4). ∎

Dari (S)-butan-2-ol ke 2-metilbutananitril: tosilasi mempertahankan konfigurasinya, tahap SN2 dengan sianida membaliknya. Secara keseluruhan: OH digantikan oleh CN disertai inversi.

Tujuan yang sama dapat dicapai dalam asam: gugus OH yang terprotonasi pergi sebagai air, $\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}$ (SN1, E1) atau karena serangan (SN2). Akan tetapi, asam membatasi nukleofilnya pada yang tahan terhadapnya — ion halida, air, alkohol — dan membuka pintu bagi karbokation beserta reaksi sampingnya.

22.4 Konversi menjadi haloalkana

Proposisi 22.8 (Alkohol dan hidrogen halida)

Alkohol tersier menghasilkan haloalkana dengan asam klorida pekat pada suhu kamar (SN1); alkohol primer memerlukan asam bromida atau asam iodida dan pemanasan (SN2 pada alkohol yang terprotonasi); alkohol sekunder bereaksi dengan laju pertengahan, sering melalui kedua mekanisme.

Bukti. Protonasi mengubah OH menjadi $\ce{-OH2+}$ . Untuk alkohol tersier, air mudah pergi dan menghasilkan karbokation stabil yang ditangkap oleh halida (SN1): nukleofil sesederhana $\ce{Cl-}$ pun cukup. Karbokation primer terlalu tidak stabil; halida harus mendorong air keluar dari belakang (SN2), yang memerlukan nukleofil yang baik ( $\ce{Br-}$ , $\ce{I-}$ , lebih baik daripada $\ce{Cl-}$ dalam medium protik, Proposisi 18.12) dan kalor. ∎

Contoh 22.9 (Uji penggolongan)

Campuran asam klorida pekat dan seng klorida (asam Lewis yang membantu OH pergi) membuat alkohol tersier keruh seketika — klorida yang tidak larut memisah —, alkohol sekunder dalam beberapa menit, dan alkohol primer hampir tidak sama sekali pada suhu kamar: urutan kestabilan karbokation yang terlihat di dalam tabung reaksi.

22.5 Dehidrasi dan pembentukan eter dalam asam

Definisi 22.10 (Dehidrasi alkohol)

Dehidrasi alkohol adalah eliminasi air, yang dikatalisis oleh asam kuat (asam sulfat atau asam fosfat) dan kalor, menghasilkan alkena: $\mathrm{R_2CH{-}CR'_2OH} \to \mathrm{R_2C{=}CR'_2} + \ce{H2O}$ .

Dehidrasi 2-metilbutan-2-ol yang dikatalisis asam (E1): protonasi, lepasnya air menjadi karbokation tersier, lepasnya sebuah proton. Melepaskan proton dari CH2 menghasilkan 2-metilbut-2-ena yang trisubstitusi (Zaitsev, utama); dari gugus metil, 2-metilbut-1-ena (minor). — Dehidrasi 2-metilbutan-2-ol yang dikatalisis asam (E1): protonasi, lepasnya air menjadi karbokation tersier, lepasnya sebuah proton. Melepaskan proton dari $\ce{CH2}$ menghasilkan 2-metilbut-2-ena yang trisubstitusi (Zaitsev, utama); dari gugus metil, 2-metilbut-1-ena (minor).

Proposisi 22.11 (Eter atau alkena)

Alkohol primer yang dipanaskan dengan asam sulfat terutama menghasilkan eter simetris pada suhu sedang (satu molekul menyubstitusi molekul lain melalui SN2) dan terutama alkena pada suhu yang lebih tinggi; alkohol sekunder dan tersier menghasilkan alkena.

Bukti. Untuk alkohol primer, alkohol yang terprotonasi dapat diserang pada karbonnya oleh molekul alkohol kedua (SN2, menghasilkan $\ce{R-O-R}$ sesudah lepasnya sebuah proton) atau pada hidrogen $\beta$ (E2). Eliminasi menghasilkan lebih banyak molekul daripada yang dipakainya dan makin disukai ketika suhu naik (Proposisi 20.10); substitusi mendominasi ketika suhunya lebih rendah. Alkohol sekunder dan tersier terionisasi menjadi karbokation, yang lebih mudah melepaskan proton daripada ditangkap oleh nukleofil lemah, terlebih lagi pada pemanasan; air yang terbentuk juga dikeluarkan dengan mendistilasi alkena yang mudah menguap. ∎

22.6 Latihan

Latihan 22.1 ★

Tuliskan reaksi etanol dengan natrium, dengan natrium hidrida, dan dengan natrium hidroksida; hitunglah tetapan reaksi yang terakhir ( $\mathrm{p}K_a$ etanol 15.9).

Solusi

Solusi Latihan 22.1.

$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2O- + 2Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + NaH -> CH3CH2O- + Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + OH- <=> CH3CH2O- + H2O}$ , $K = 10^{14.0 - 15.9} = 10^{-1.9}$ : sebagian.

Latihan 22.2 ★

Tentukan produk dari: natrium metoksida dengan 1-bromopropana; natrium etoksida dengan iodometana; natrium fenoksida dengan bromoetana.

Solusi

Solusi Latihan 22.2.

1-Metoksipropana; metoksietana; etoksibenzena (fenoksida, basa yang lebih lemah daripada alkoksida, tetap merupakan nukleofil yang baik).

Latihan 22.3 ★

Tuliskan tosilasi propan-1-ol dan reaksi tosilatnya dengan natrium iodida. Apa keuntungannya dibandingkan reaksi langsung alkohol itu dengan natrium iodida?

Solusi

Solusi Latihan 22.3.

Tosilasi dalam piridina menghasilkan $\ce{CH3CH2CH2OTs}$ ; lalu

\ce{CH3CH2CH2OTs + I- -> CH3CH2CH2I + TsO-}.

Secara langsung, iodida harus mengusir $\ce{OH-}$ : tidak ada reaksi. Tosilat mempunyai gugus pergi yang sangat baik, dan kondisinya tidak asam maupun sangat basa.

Latihan 22.4 ★

Tentukan alkena-alkena yang terbentuk pada dehidrasi asam butan-2-ol dan 2-metilpentan-2-ol, serta alkena utamanya.

Solusi

Solusi Latihan 22.4.

Butan-2-ol: but-1-ena, (Z)- dan (E)-but-2-ena; yang utama (E)-but-2-ena. 2-Metilpentan-2-ol: 2-metilpent-2-ena (utama, trisubstitusi) dan 2-metilpent-1-ena.

Latihan 22.5 ★★

Usulkan sintesis Williamson untuk 1-etoksi-2-metilpropana dan jelaskan pilihan pasangan reaksinya. Mengapa pilihan yang lain akan menghasilkan alkena?

Solusi

Solusi Latihan 22.5.

$\ce{(CH3)2CHCH2-O-CH2CH3}$ : natrium 2-metilpropan-1-olat dengan bromoetana, atau natrium etoksida dengan 1-bromo-2-metilpropana. Kedua halida itu primer, tetapi 1-bromo-2-metilpropana bercabang di sebelah karbon yang bereaksi, sehingga SN2 melambat dan basa kuat itu dapat melakukan eliminasi (2-metilpropena). Pilihan pertama lebih baik.

Latihan 22.6 ★★

(R)-Oktan-2-ol diubah menjadi tosilatnya, lalu direaksikan dengan natrium etoksida dalam etanol. Tentukan konfigurasi eternya. Apa yang akan diperoleh dengan memanaskan alkohol yang sama dengan asam sulfat?

Solusi

Solusi Latihan 22.6.

Tosilat mempertahankan konfigurasi (R); SN2 dengan etoksida membaliknya: (S)-2-etoksioktana (OEt berperingkat pertama seperti OTs sebelumnya). Dengan asam sulfat dan kalor: eliminasi menjadi oktena (terutama (E)-okt-2-ena), melalui karbokation sekunder, dengan hilangnya stereokimia.

Latihan 22.7 ★★

Tuliskan mekanisme reaksi 2-metilpropan-2-ol dengan asam klorida pekat dan jelaskan mengapa reaksinya cepat pada suhu kamar.

Solusi

Solusi Latihan 22.7.

Protonasi OH; lepasnya air menjadi karbokation tersier (lambat); penangkapan oleh $\ce{Cl-}$ : 2-kloro-2-metilpropana. Cepat karena karbokation tersier itu stabil dan kloridanya, yang tidak larut dalam asam, memisah.

Latihan 22.8 ★★

Tuliskan mekanisme pembentukan etoksietana dari etanol dalam asam sulfat, beserta eliminasi yang bersaing dengannya.

Solusi

Solusi Latihan 22.8.

$\ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+}$ ; molekul etanol kedua menyerang karbonnya dari belakang sementara air pergi (SN2): $\ce{(CH3CH2)2OH+}$ , yang melepaskan sebuah proton: etoksietana. Yang bersaing: sebuah basa (etanol, $\ce{HSO4-}$ ) mengambil proton $\beta$ dari $\ce{CH3CH2OH2+}$ sementara air pergi (E2): etena.

Latihan 22.9 ★★

Dalam uji penggolongan pada bab ini, alkohol manakah di antara butan-1-ol, butan-2-ol, dan 2-metilpropan-2-ol yang paling dahulu menjadi keruh? Tuliskan produknya.

Solusi

Solusi Latihan 22.9.

2-Metilpropan-2-ol (tersier), menghasilkan 2-kloro-2-metilpropana, yang tidak larut.

Latihan 22.10 ★★★

3,3-Dimetilbutan-2-ol, yang dipanaskan dalam asam, terutama menghasilkan 2,3-dimetilbut-2-ena, yang kerangka karbonnya berbeda dari kerangka alkoholnya. Usulkan mekanisme dengan pergeseran-1,2 sebuah gugus metil dalam karbokation itu, dan berikan alasan pergeseran itu.

Solusi

Solusi Latihan 22.10.

Protonasi dan lepasnya air menghasilkan karbokation sekunder di sebelah karbon kuarterner. Sebuah gugus metil dari karbon itu berpindah bersama pasangan ikatannya ke karbon kationik: muatan positif kini berada pada karbon tersier, yang lebih stabil. Lepasnya proton dari karbon tetangga menghasilkan 2,3-dimetilbut-2-ena yang tetrasubstitusi, alkena yang paling stabil.

Latihan 22.11 ★★★

Rancanglah sintesis (S)-2-metoksibutana dari (R)-butan-2-ol, dan sintesis lain dari (S)-butan-2-ol, masing-masing dengan konfigurasi yang tetap terkendali.

Solusi

Solusi Latihan 22.11.

Dari (R)-butan-2-ol: tosilat ((R)), lalu natrium metoksida (SN2, inversi): (S)-2-metoksibutana. Dari (S)-butan-2-ol: buat alkoksidanya (NaH) lalu tambahkan iodometana: ikatan C–O stereogenik tidak tersentuh, sekali lagi (S)-2-metoksibutana.

Latihan 22.12 ★★★

Tunjukkan bahwa kesetimbangan $\ce{2CH3CH2OH <=> (CH3CH2)2O + H2O}$ dapat digeser ke arah eter dengan mengeluarkan air secara terus-menerus, dengan memakai kuosien reaksi (Bab 7).

Solusi

Solusi Latihan 22.12.

$Q = [\text{eter}][\ce{H2O}]/[\ce{EtOH}]^2$ . Mengeluarkan air segera setelah terbentuk menjaga $[\ce{H2O}]$ dan $Q$ tetap kecil: $Q < K$ dan reaksinya terus membentuk eter sampai alkoholnya habis.

22.7 Soal: Dua Jalan Menuju Sebuah Eter

Soal 22.1

Soal akhir pekan — dua jalan Williamson menuju metil tert-butil eter, eter yang stereokimianya terkendali dari alkohol yang aktif optis, dehidrasi alkohol tersier, dan massa eter yang diperoleh

Pada masa lalu, 2-metoksi-2-metilpropana (metil tert-butil eter, MTBE) diproduksi dalam skala besar sebagai aditif bahan bakar. Massa molar ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{C4H10O}$ 74.0, $\ce{C5H12O}$ 88.0, $\ce{CH3I}$ 141.9.

Bagian I — MTBE melalui sintesis Williamson.

Tuliskan kedua pasangan reaksi (alkoksida dan halida) yang dapat menghasilkan MTBE.
Pasangan manakah yang gagal? Tuliskan reaksi yang terjadi sebagai gantinya.
Tuliskan reaksi yang berhasil beserta mekanismenya.
Bagaimana natrium tert-butoksida dibuat dari 2-metilpropan-2-ol? Mengapa tidak dengan natrium hidroksida?
Mengapa reaksinya dijalankan dalam alkohol yang kering atau dalam pelarut aprotik?
Apakah produknya kiral?

Bagian II — Eter yang aktif optis.

(R)-Butan-2-ol diubah menjadi tosilatnya. Tuliskan reaksinya dan tentukan konfigurasi tosilat itu.
Tosilat itu bereaksi dengan natrium metoksida. Tuliskan produknya beserta konfigurasinya.
Konfigurasi alkohol manakah yang menghasilkan (R)-2-metoksibutana melalui jalan yang sama?
Jalan lain: alkoksida (R)-butan-2-ol dengan iodometana. Bagaimana konfigurasi produknya? Mengapa?
Reaksi samping apakah yang bersaing pada pertanyaan 8, dan mengapa reaksi itu terbatas di sini?
Mengapa pemanasan (R)-butan-2-ol dengan metanol dalam asam sulfat akan menghasilkan eter yang hampir rasemat, kalaupun eter terbentuk?

Bagian III — Dehidrasi alkohol tersier.

Tuliskan mekanisme dehidrasi asam 2-metilbutan-2-ol.
Tentukan kedua alkenanya dan ramalkan alkena utamanya.
Mengapa alkohol ini tidak membentuk eter?
Mengapa 2-metilbut-2-ena didistilasi keluar segera setelah terbentuk?
Gambarlah profil energi tahap E1 dan tandai tahap penentu lajunya.
Dapatkah alkohol primer didehidrasi melalui mekanisme yang sama?

Bagian IV — Massa.

$10.0\,\mathrm{g}$ 2-metilpropan-2-ol diubah menjadi alkoksidanya. Hitunglah jumlahnya.
Berapa massa iodometana yang diperlukan untuk kelebihan $10\,\%$ ?
Hitunglah massa teoretis MTBE.
Hitunglah massa yang diperoleh untuk rendemen $75\,\%$ .

Solusi

Solusi Soal 22.1.

1. Natrium tert-butoksida dengan metil halida; natrium metoksida dengan tert-butil halida. 2. Pasangan kedua: metoksida, sebuah basa kuat, melakukan eliminasi pada halida tersier, $\ce{(CH3)3CBr + CH3O- -> (CH3)2C=CH2 + CH3OH + Br-}$ . 3. $\ce{(CH3)3CO- + CH3I -> (CH3)3COCH3 + I-}$ : oksigen alkoksida menyerang karbon metil dari belakang sementara iodida pergi (SN2). 4. Dengan natrium (atau natrium hidrida): $\ce{2(CH3)3COH + 2Na -> 2(CH3)3CO- + 2Na+ + H2}$ . Hidroksida adalah basa yang terlalu lemah: $K = 10^{14.0 - 19.2} = 10^{-5.2}$ . 5. Air akan memprotonasi alkoksida dan menyerang halidanya. 6. Tidak: tidak ada pusat stereogenik. 7. (R)-butan-2-ol + TsCl (piridina) $\to$ (R)-butan-2-il tosilat: retensi. 8. (S)-2-metoksibutana, melalui inversi SN2. 9. (S)-butan-2-ol. 10. (R)-2-metoksibutana: ikatan C–O pada karbon stereogenik dipertahankan; hanya O–C(metil) yang terbentuk. 11. E2 (metoksida adalah basa kuat dan karbonnya sekunder), menghasilkan butena; dibatasi oleh basa yang kecil, gugus pergi yang sangat baik, dan suhu yang sedang. 12. Alkohol yang terprotonasi terionisasi menjadi karbokation sekunder yang datar, yang ditangkap metanol pada kedua sisinya: eter rasemat, bersama butena. 13. Protonasi OH, lepasnya air (lambat) menjadi karbokation tersier, lepasnya proton $\beta$ . 14. 2-Metilbut-2-ena (utama, trisubstitusi) dan 2-metilbut-1-ena. 15. Karbokation tersier terhalang dan jauh lebih mudah melepaskan proton daripada diserang oleh molekul alkohol lain. 16. Untuk mengeluarkan sebuah produk: dengan $Q$ yang tetap kecil reaksinya terus berlangsung, dan alkenanya tidak dibiarkan bersentuhan dengan asam. 17. Sawar pertama yang tinggi (lepasnya air, penentu laju) menuju karbokation, lalu sawar kecil menuju alkena. 18. Tidak: karbokation primer terlalu tidak stabil; alkohol primer mengalami eliminasi melalui E2 pada alkohol yang terprotonasi, pada suhu yang lebih tinggi. 19. $10.0/74.0 = 0.135\,\mathrm{mol}$ . 20. $1.10 \times 0.135 \times 141.9 = 21.1\,\mathrm{g}$ . 21. $0.135 \times 88.0 = 11.9\,\mathrm{g}$ . 22. $0.75 \times 11.9 =$ $8.9\,\mathrm{g}$ MTBE.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium