ORBITAL HIBRIDA DARI NITROGEN DAN OKSIGEN

   A.    AMINA

Sebagian besar gugus fungsi penting dalam senyawa organik mengandung nitrogen atau oksigen. Secara elektronika, nitrogen sama dengan karbon, dan orbital atom dari nitrogen berhibridasi menurut cara yang sangat sama dengan karbon.

 Seperti yang ditunjukkan diagram orbital di atas, nitrogen dapat menghibridasi keempat orbital atom tingkat kedua menjadi empat orbital ikatan sp³ yang ekuivalen. Namun demikian, ada satu perbedaan 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 tiga ikatan kovalen terhadap atom lain.

Molekul amonia mengandung atom nitrogen sp³ yang terikat pada tiga atom hidrogen. Molekul amina mempunyai struktur yang sama, suatu atom nitrogen sp³ terikat pada satu atau lebih atom karbon. Dalam keadaan baik, amonia dan amina, nitrogen mempunyai satu orbital yang terisi dengan sepasang valensi menyendiri. Gambar 1.2 di bawah ini menunjukkan geometri dan orbital amonia dan kedua amina yang terisi. Dalam gambar ini, bisa dilihat kesamaan struktur antara keduanya.

Pasangan elektron yang menyendiri dalam orbital yang terisi pada nitrogen dari amonia dan amina memungkinkan senyawa ini berfungsi sebagai basa. Bila amina diperlakukan dengan asam, elektron yang tak terbagi digunakan untuk membentuk ikatan sigma dengan asam maka hasilnya adalah garam amina.

Analog dengan karbon, dapat diharapkan bahwa sudut ikatan H-N-H dalam NH₃ adalah 109,5⁰ . Percobaan menunjukkan bahwa hal ini tidak demikian, sudut ikatan adalah 107,3⁰. Hal ini dapat dijelaskan bahwa sudut ikatan ditekan oleh orbital yang terisi dengan elektron menyendiri yang besar ukurannya (karena elektron dalam orbital terisi terisi ini ditarik hanya ke satu inti saja dan bukan kedua inti maka mereka terikat kurang kuat. Karena itu, orbital yang terisi lebih besar daripada orbital sigma N-H). Bila atom selain atom hidrogen terikat ke nitrogen sp³, sudut ikatan yang diamati lebih dekat ke sudut tetrahedral 109,5⁰, karena tolakan antara gugus yang lebih besar ini.

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

   B.    AIR, ALKOHOL, DAN ETER

Oksigen juga membentuk ikatan dengan orbital hibrida sp³. Karena oksigen mempunyai enam elektron ikatan, ia membentuk dua ikatan kovalen dan mempunyai dua orbital berisi.

Air (H₂O) adalah contoh senyawa yang mengandung oksigen sp³. Sudut ikatan dalam air telah ditentukan yaitu sebesar 104,5⁰ dan bukan 109,5⁰ 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 atom oksigen sp³, hanya saja untuk 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 terhibridasi sp³ dan mempunyai dua pasang elektron valensi menyendiri (perhatikan gambar 1.3).

  

    C.  SENYAWA KARBONIL

Gugus karbonil (C=O) mengandung atom karbon sp² yang dihubungkan dengan atom oksigen oleh ikatan rangkap. Geometri gugus karbonil ditentukan oleh karbon sp^2. Gugus karbonil adalah planar sekeliling karbon sp² trigonal. Ikatan karbon-oksigen mengandung sepasang elektron pi tersingkap. Oksigen juga mempunyai dua pasang elektron menyendiri. Perhatikan gambar 1.4 yang menunjukkan geometri gugus karbonil.

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

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

                                                  

   D.  IKATAN RANGKAP TERKONJUGASI

Sistem konjugasi terjadi dalam senyawa organik yang atom-atomnya secara kovalen berikatan tunggal dan ganda secara bergantian (C=C-C=C-C) dan mempengaruhi satu sama lainnya membentuk daerah delokalisasi elektron. Elektron-elektron pada daerah delokalisasi ini bukanlah milik salah satu atom, tetapi milik keseluruhan sistem konjugasi ini. Contohnya fenol (C₆H₅OH) memiliki sistem 6 elektron di atas dan di bawah ciccin planarnya sekaligus di sekitar gugus hidroksil.

Molekul organik dapat mengandung lebih dari satu gugus fungsi. Dalam kebanyakan senyawa polifungsional, setiap gugus fungsi tak bergantung dari yang lain. Walaupun demikian, tidak selalu demikian keadaannya.

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 disebut ikatan rangkap terisolasi atau taj terkonjugasi.

Ikatan rangkap terisolasi berkelakuan mandiri, masing-masing ikatan rangkap mengalami reaksi seakan-akan yang lain tak ada. Sedangkan ikatan rangkap terkonjugasi tak saling madiri terhadap satu sama lain, ada antaraksi elektronik yang terdapat antaranya.

   E. BENZENA 

Benzena (C₆H₆) merupakan senyawa siklik dengan enam atom karbon yang tergabung dalam cincin. Setiap karbon terhibridasi sp² dan cincinnya merupakan planar. Setiap atom karbon memiliki satu atom hidrogen yang terikat padanya, da pada setiap atom karbon memiliki satu atom hidrogen yang terikat padanya, dan tiap-tiap atom karbon memiliki 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. (Gambar 1.5)

 Gambar 1.5

Dengan enam elektron p, benzena dapat mengandung tiga ikatan pi. Ketiga ikatan pi dalam cincin ini dapat digambarkan dengan beberapa rumus.

Semua panjang ikatan karbon-karbon dalam benzena adalah sama, 1,40 Å. Keenam ikatan lebih panjang daripada ikatan rangkap C-C, tetapi lebih pendek dari ikatan tunggal C-C. Bila cincin benzena mengandung tiga ikatan rangkap terlokalisasi oleh tiga ikatan tungga, ikatannya akan berbeda panjangnya. Fakta bahwa semua ikatan karbon-karbon dalam cincin benzena mempunyai panjang yang sama menyarankan bahwa cincin benzena tidak mengandung ikatan tunggal dan rangkap yang saling bergantian. Para ahli kimia berkesimpulan bahwa benzena merupakan molekul simetrik dan bahwa masing-masing dari enam ikatan cincin adalah sama dengan ikatan cincin lainnya. Daripada ikatan rangkap dan tunggal yang saling bergantian, keenam elektro pi terdelokalisasi sempurna dalam awan muatan elektron yang berbentuk seperti kue donat. Awan elektron pi ini disebut awan pi aromatik dari pi. Benzena merupakan salah satu dari golongan senyawa aromatik yaitu senywa yang mengandung awan pi aromatik (memiliki bau yang khas).
Pada 1845, ilmuwan Inggris, Charles Mansfield yang bekerja sama dengan August Wilhelm von Hofmann, mengisolasi benzena dari tar batubara. Empat tahun kemudian, Mansfield memulai produksi benzena dari tar batubara dalam skala industri. Berdasarkan hasil penelitian, benzena memiliki rumus kimia C₆H₆.
Rumus kimia ini memberikan misteri mengenai struktur yang tepat untuk benzena selama beberapa waktu setelah benzena ditemukan. Hal tersebut dikarenakan rumus kimia C6H6 tidak sesuai dengan kesepakatan ilmuwan bahwa atom C dapat mengikat 4 atom dan atom H mengikat 1 atom. Masalah ini akhirnya sedikit terpecahkan setelah menunggu selama 40 tahun. Ilmuwan Jerman, Friedrich August Kekule mengusulkan agar struktur benzena berupa cincin heksagonal. Perhatikanlah gambar berikut.

   F.  RESONANSI

Resonansi adalah delokalisasi elektron pada molekul atau ion poliatomik tertentu dimana ikatannya tidak dapat dituliskan dalam satu struktur lewis. Struktur molekul atau ion yang mempunyai delokalisasi elektron disebut dengan struktur resonan. Resonansi dalam kimia diberi simbol garis dengan dua arah panah.

Metana dan etilena merupakan contoh senyawa organik dengan struktur yang dapat digambarkan menggunakan rumus ikatan valensi tunggal (menggunakan garis untuk pasangan elektron ikatan).

Sedangkan benzena merupakan senyawa organik yang tidak dapat digambarkan secara teliti oleh rumus ikatan valensi tunggal. Delokalisasi dari elektron pi menghasilkan sistem dalam elektron pi mencakup lebih dari dua atom. Notasi ikatan valensi secara klasik tidak mencakup keadaan ini. Untuk dapat menggambarkan distribusi elektron pi dalam benzena dengan menggunakan rumus ikatan valensi klasik.

Kedua rumus ikatan valensi untuk benzena ini disebut rumus Kekule (Friedrich August Kekule, 1972). Pendapat Kekule adalah bahwa kedua struktur dari benzena bergeser maju balek sangat cepat, sehingga tak ada yang dapat diisolasi secara mandiri satu dari yang lainnya. Kedua struktur Kekule dikatakan ada dalam resonansi yang satu dengan yang lainnya. Dengan alasan ini, struktur Kekule disebut juga sebagai lambang resonansi atau struktur resonansi untuk benzena.

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah bahwa lambang resonansi bukan struktur nyata, struktur nyata adalah gabungan dari semua lambang resonansi.

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 diantara kedua struktur tersebut.

Sumber: Fessenden Ralp J, Joan S. Fessendden. 2005. Kimia Organik Jilid 1 Edisi Ketiga.    Terjemahan A.H Pudjaatmaka. Erlangga: Jakarta