ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN (pembahasan ke-2)

ORBITAL HIBRIDA DARI NITROGEN DAN OKSIGEN
A. Amina
Banyak gugus fungsi penting dalam senyawa organik mengandung nitrogen atau oksigen. Secara elektronika, nitrogen sama dengan karbon, dan orbital atom dari nitrogen hibridisasi menurut cara yang sangat bersamaan dengan karbon.

Seperti yang ditunjukkan diagram orbital ini, nitrogen dapat menghibridisasi keempat orbital atom tingkat kedua menjadi empat orbital ikatan sp3 yang ekuivalen. Namun demikian, perhatikan satu perbedaan penting antara nitrogen dan karbon. Karbon mempunyai empat elektron untuk dibagikan dalam empat orbital sp3, sedangkan nitrogen mempunyai lima elektron yang didistribusikan dalam empat orbital sp3. Satu orbital sp3 dari nitrogen diisi dengan sepasang elektron, dan nitrogen dapat membentuk senyawa dengan hanya tigaikatan kovalen terhadap atom lain.
Molekul amonia mengandung atom nitrogen sp3 yang terikat pada tiga atom hdrogen. Molekul aminamempunyai struktur yang sama: suatu atom nitrogen sp3 terikat pada satu atau lebih atom karbon. Dalam baik amonia atau amina, nitrogen mempunyai satu orbital yang terisi dengan sepasang elektron valensi menyendiri. Gambar 2.19 menunjukkan geometri dan orbital amonia dan kedua amina yang terisi: kesamaan dalam struktur jelas dari gambar ini.
Pasangan elektron menyendiri dalam orbital terisi pada nitrogen dari amonia dan amina memingkinkan senyawa ini berfungsi sebagai basa. Bila amina diperlukan dengan asam, elektron yang terbagi digunakan untuk membentuk ikatan sigma dengan asam. Hasilnya adalah garam amina.

Analog dengan karbon, maka dapat diharapakan bahwa sudut ikatan H-N-H dalam NH3 ADALAH 107,3O. Suatu keterangan untuk ini adalah bahwa sudut ikatan ditekan oleh orbital ang terisi dengan elektron menyendiri yang besar ukurannya. (karena elektron dalam orbital terisi ini ditarik hanya ke satu inti saja dan bukan kedua inti, maka me-

reka terikat kurang kuat; karena itu, orbital yang terisi lebih besar daripada orbital sigma (N-H). Bila atom selain hidrogen terikat ke nitrogen sp3, sudut ikatan yang diamati lebih dekat ke sudut tetrahedral 109,5o, karena tolakan antara gugus yang lebih besar ini.

Seperti halnya karbon, nitrogen ditemukan juga dalam senyawa organik dalam keadaan hibrida sp2 dan sp. Sekali lagi, perbedaan penting antara nitrogen dan karbon adalah bahwa satu orbital dari nitrogen terisi dengan sepasang elektron menyendiri.

B. Air, alkohol, dan eter

Seperti karbon dan nitrogen, oksigen membentuk ikatan dengan orbital hbrida sp3. Karena oksigen mempunyai enam elektron ikatan, ia membentuk dua ikatan kovalen dan mempunyai dua orbital terisi.

Air dalah contoh senyawa yang mengandung oksigen sp3. Sudut ikatan dalam air telah ditentukan yaitu sebesar 104,5o dan bukan 109,5o yang ideal. Diperkirakan bahwa orbital dengan elektron menyendiri menekan sudut ikatan H-O-H, seperti halnya orbital terisi dalam amonia menekan sudut ikatan H-N-H.

Ada sejumlah senyawa organik yang mengandung oksigen sp3. Umtuk sekarang akan ditinjau hanya dua, yaitu alkohol dan eter: ROH dan ROR’. ikatan terhadap oksigen dalam alkohol dan eter adalah langsung analog dengan ikatan dalam air. Dalam setiap keadaan, oksigen terhibridisasi sp3 dan mempunyai dua pasang elektron valensi menyendiri, sperti yang ditunjukkan pada gambar 2.20.

C. Senyawa Karbonil

Gugus karbonil (C=O) mengandung atom karbon sp2 yang dihubungkan dengan atom oksigen oleh ikatan rangkap. Orang cenderung berpendapat bahwa oksigen karbonil berada dalam keadaan hibrida sp2 seperti halnya karbon karbonil; namun demikian ahli kimia tak terlalu yakin mengenai hibridisasi oksigen karbonil, karena tak ada sudut ikatan yang dapat diukur.

Geometri gugus karbonil ditentukan oleh karbon sp2. Gugus karbonil adalah planar sekeliling jkarbon sp2 trigonal. Ikatan karbon-oksigen mengandung sepasang elektron pi tersingkap. Oksigen juga mempunyai dua pasang elektron menyendiri. Gambar 2.21 menunjukkan geometri gugus karbonol.

Gugus karbonil lebih polar daripada gugus C-O dalam alkohol atau eter. Alasan yang mungkin untuk pembesaran kepolaran ini adalah bahwa eletron pi yang mobil lebih mudah tertarik ke oksigen yang elektronegatif daripada elektron sigma dari C-O.

Gugus karbonil merupakan bagian dari bermacam-macam gugus fungsi dan golongan senyawa ditentukan oleh atom lain yang terikat pada karbon karbonil. Bila salah satu dari ataom terikat pada karbon karbonil adalah nitrogen, maka senyawa tersebut adalah aldehida. Bila dua karbon terikat pada karbon karbonil, maka senyawanya adalah keton.

IKATAN RANGKAP TERKONJUGASI

Mulekul organik dapat mengandung lebih dari satu gugus fungsi. Dalam kebanyakan senyawa polifungsional, setiap gugus fungsi tak bergantung dari yang lain; meskipun demikian, tak selalu demikian halnya. Pandanglah beberapa senyawa dengan ikatan rangkap karbon-karbon lebih dari satu.

Ada dua cara pokok untuk menempatkan ikatan rangkap dalam senyawa organik. Dua ikatan rangkap yang bersumber pada atom berdampingan disebut ikatan rangkap terkonjugasi.

Ikatan rangkap yang menggabungkan atom yang tak berdampingan disebutikatan rangkap terisolasi (terpencil), atau tak terkonjugasi.

Ikatan rangkap terisolasi berkelakuan mandiri; masing-masing ikatan rangkap yang mengalami reaksi seakan-akan yang lain tak ada. Ikatan rangkap terkonjugasi, sebaliknya, tak saling mandiri yang satu terhadap yang lain, ada antaraksi elektronik yang terdapat antaranya. Pilihlah sistem terkonjugasi yang paling sederhana, CH2=CH-CH=CH2 yang disebut 1,3-butadiena, untuk membahas gejala ini. Gambar 2.22 menggambarkan tumpang tindih orbital p dalam 1.3-butadiena.

Atom karbon dari 1,3-butadiena dalam gambar 2.22 telah dinomori untuk acuan. Ada dua pasang orbital p yang membentuk dua ikatan pi: satu ikatan pi antara karbon 1dan 2, dan satu ikatan pi antara karbon 3 dan 4. Namun demikian, orbital p antara karbon 2 dan 3 juga berdampingan, dan tumpang tindih sebagian antara orbital p ini terjadi. Meskipun kebanyakan rapat elektron pi berkendudukan antara karbon 1-2 dan 3-4, sedikit rapat elektron pi juga detemukan antara karbon 2-3. (gambar 2.22 menununjukkan suatu gabungan dari orbital ikatan dalam 1,3 butadiena.

Sejumlah istilah digunakan untuk menggambarkan antaraksi ikatan pi ini dalam sistem terkonjugasi. Dapat dikatakan bahwa ada tumpang tindih sebagian dari orbital p antara karbon pusat. Dapat juga dikatakan bahwa ikatan antara karbon 2 dan 3 dalam 1.3-butadiena mempunyai karakter ikatan rangkap sebagian. Suatu cara lain untuk menggambarkan sistem adalah mengatakan bahwa elektron pi terdelokalisasi, yang berarti bahwa rapat elektron pi terdistribusi lewat daerah yang agak besar dalam molekul. Berlawanan dengan ini, elektron terlokalisasi terbatas pada dua inti; ikatan rangkap tak terkonjugasi mengandung elektron pi terlokalisasi.

BENZENA

Benzena (C6H6)  adalah senyawa siklik dengan enam ataom karbon yang tergabung dalam cincin. Setiap atom karbon terhibridisasi sp2 dan cicinnya adalah planar. Setiap atom karbon mempunyai satu atom hidrogen yang terikat padanya, dan setiap atom karbon mempunyai satu atom hidrogen yang terikat padanya, dan setiap tom karbon juga mempunyai orbital p tak terhibridisasi tegak lurus terhadap bidang ikatan sigma dari cincin. Masing-masing dari keenam orbital p ini dapat menyumbangkan satu elektron untuk ikatan pi (lihat gambar 2.23)

Telah diketahui bahwa semua panjang ikatan karbon-karbon dalam benzena adalah sama, 1,40 Å. Keenam ikatan adalah lebih panjang daripada ikatan rangkap C-C tetapi lebih pendek dari iaktan tunggal C-C. Bila cincin benzena mengandung tiga ikatan rangkap terlokalisasi oleh tiga ikatan tunggal, ikatannya akan berbeda panjangnya. Fakta bahwa semua ikatan karbon-karbon dalam cincin benzena menpunyai panjang yang sama menyarankan bahwa cincin benzena tak mengandung ikatan tunggal dan rangkap yang saling bergantian.

Benzena adalah salah satu dari golongan senyawa aromatik, senyawa yang mengandung awan pi aromatik. Dari sejarah, istilah “aromatik” diturunkan dari fakta bahwa banyak dari senyawa ini mempunyai bau yang khas. 

RESONANSI

Metana (CH4) dan etilena (CH2=CH2) adalah contoh dari senyawa organik dengan struktur yang dapat digambarkan secara beralasan dengan menggunakan rumus ikatan valensi tunggal (artinya dengan menggunakan garis untuk pasangan elektron ikatan). Dalam setiap hal, suatu garis yang menghubungkan dua lambang atom menyatakan ikatan kovalen antara dua atom.

Benzena dalah contoh suatu senyawa organik yang tak dapat digambarkan secara teliti oleh rumus ikatan valensi tunggal. Delokalisai dari elektron pi menghasilkan sistem dalam mana elektron pi mencakup lebih daripada dua atom. Notasi ikatan valensi secara klasik tak mencakup keadaan ini. (lingkaran dalam segi enam yang yang menyatakan awan pi aromatik dalam benzena merupakan tambahan yang cukup baru dalam perlambangan kimia organik). Untuk dapat menggambarkan distribusi elektron pi dalam benzena dengan menggunakan rumus ikatan valensi klasik, harus digunakan dua rumus.

Kedua rumus ikatan valensi untuk benzena ini disebut rumus kekule.

Bila suatu struktur molekuk dapat digambarkan oleh dua atau lebih rumus iaktan valensi yang berbeda hanya dalam kedudukan elektron (biasanya elektron pi), tak ada dari rumus ini yang sesuai sempurna dengan sifat kimia dan fisika dari senyawannya. Bila berbagai struktur resonansi dapat ditulis untuk suatu senyawa, maka dapat diandaikan adanya delokalisasi dari rapat elektron. Pernyataan ini benar untuk semua struktur aromatik, maupun untuk beberapa struktur lain yang akan disebut secara singkat.

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah bahwa lambang resonansi bukan struktur nyata; struktur nyata adalah gabungan dari semua lambang resonansi. Untuk menunjukkan bahwa dua atau lebih rumus dapat menggambarkan struktur resonansi (khayalan) dan bukan struktur nyata dalam kesetimbangan, digunakan panah berkepala dua (). Sebaliknya, suatu kesetimbangan dinyatakan oleh dua panah (<= =>).

Senyawa aromatik 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 resonansi. 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 di antara kedua struktur tersebut. Struktur resonansi untuk nitro metana, CH3NO2, ditunjukkan di bawah. Untuk menunjukkan bahwa ikatan dari nitrogen terhadap oksigen dalam gugus NO2 adalah sama, beberapaa ahli kimia menyatakan gugus nitro dengan garis titik-titik untuk ikatan rangkap parsial.

Ion karbonat (CO32-) adalah ion yang tak dapat dinyatakan oleh struktur ikatan valensi. Setiap ikatan C-O dalam ion karbonat panjangnya sama. Harus digunakan tiga struktur resonansi untuk menggambarkan struktur yang nyata.  

Visualisasi Elektron Dalam Orbital s, p, d, f

https://www.youtube.com/watch?v=FOD9LcTJtJE