KIMIA ORGANIK TENTANG ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

KIMIA ORGANIK TENTANG ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

OLEH AGUSTININGSIH AMIR

1.      Orbital hibridadari Nitrogen dan Oksigen

a.       Atom Nitrogen

Ikatan kovalen tidak hanya terbentuk dalam senyawa karbon, tetapi juga dapat dibentuk oleh atom-atom lain. Semua ikatan kovalen yang dibentuk oleh unsur-unsur dalam tabel periodik dapat dijelaskan dengan orbital hibrida. Secara prinsip, pembentukan hibrida sama dengan pada atom karbon.

Amonia (NH3) salah satu contoh molekul yang mengandung ikatan kovalen yang melibatkan atom nitrogen. Atom nitrogen memiliki konfigurasi ground-state:  1s², 2s², 2px, 2py, 2pz, dan memungkinkan atom nitrogen berikatan dengan tiga atom hidrogen.

Ketika terdapat tiga elektron tak berpasangan mengisi orbital 2p, ini memungkinkan orbital 1s dari hidrogen untuk overlap dengan orbital 2p tersebut membentuk ikatan sigma. Sudut ikatan yang terbentuk adalah 107.30, mendekati sudut tetrahedral (109.50). Nitrogen memiliki lima elektron pada kulit terluarnya. Pada hibridisasi sp3, satu orbital sp3 diisi oleh dua elektron dan tiga orbital sp3 diisi masing- masing satu elektron.

Ikatan sigma terbentuk dari overlap orbital hibrida sp3 yang tidak berpasangan tersebut dengan orbital 1s dari hidrogen menghasilkan molekul ammonia. Dengan demikian, ammonia memiliki bentuk geometri tetrahedral yang mirip dengan metana.  Ikatan N-H memiliki panjang 1.01 A dan kekuatan ikatan 103 kkal/mol.

Nitrogen memiliki tiga elektron tak berpasangan pada orbital hibrid sp3, ketika satu elektron dalam orbital hibrida tersebut tereksitasi ke orbital p maka terbentuk hibrida baru, yaitu sp2. Elektron pada orbital p digunakan untuk membentuk ikatan pi. Jadi, atom nitrogen yang terhibridisasi sp2 memiliki satu ikatan pi yang digunakan untuk membentuk ikatan rangkap dua, mirip dengan molekul etena. Apabila elektron yang tereksitasi ke orbital p ada dua maka nitrogen memiliki kemampuan membentuk dua ikatan pi atau satu ikatan rangkap tiga (hibridisasi sp).  

b.      Atom Oksigen

Elektron pada ground-state atom oksigen memiliki konfigurasi: 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1, dan oksigen merupakan atom divalen.

Dengan melihat konfigurasi elektronnya, dapat diprediksi bahwa oksigen mampu membentuk dua ikatan sigma karena pada kulit terluarnya terdapat dua elektron tak berpasangan (2py dan 2pz)
. 

Air adalah contoh senyawa yang mengandung oksigen sp3. sudut ikatan yang terbentuk sebesar 104.50. diperkirakan bahwa orbital dengan pasangan elektron bebas menekan sudut ikatan H-O-H, sehingga sudut yang terbentuk lebih kecil dari sudut ideal (109.50), seperti halnya pasangan elektron bebas dalam ammonia menekan sudut ikatan H-N-H. 

Oksigen juga dapat terhibridisasi sp2, yaitu dengan mempromosikan satu elektronnya ke orbital p. 

Dalam kondisi ini, oksigen hanya memiliki satu ikatan sigma, tetapi juga memilki satu ikatan pi. Contoh molekul yang memiliki atom oksigen terhibridisasi sp2 adalah pada senyawa-senyawa karbonil.

Satu contoh terakhir dari hibridisasi orbital yang sering ditemukan adalah boron trifluorida, BF3. Boron hanya memiliki tiga elektron di kulit terluarnya (1s2 2s2 2px1), hal ini berarti bahwa boron hanya dapat membentuk paling banyak tiga ikatan. Kita dapat mempromosikan elektron pada orbital 2s ke orbital 2py, akan tetapi tidak mungkin melengkapi boron dengan elektron oktet. 

Boron tidak memiliki pasangan elektron bebas, sehingga terdapat satu orbital p (2pz) yang kosong. Molekul BF3 yang terbentuk memiliki geometri planar, sehingga dapat dikatakan bahwa boron terhibridisasi sp2. 

2.      Ikatan Rangkap Terkonjugasi

Pada molekul organic mengandung lebih dari satu gugus fungsi.Pada polifungsional, kebanyakan setiap gugus fungsi tidak bergantung pada gugus fungsi lainnya. Namun pada kenyataannya, tidak selalu begitu.

Ada 2 cara untuk menempatkan ikatan rangkap dalam senyawa organic. Dua ikatan rangkap yang berasal dari atom yang berdampingan disebut ikatan rangkap terkonjugasi.

Ikatan rangkap yang menghubungkan atom yang tidak berdampingan disebut ikatan rangkap terisolasi (terpencil) atau tidak terkonjugasi.

3.      Benzene dan Resonansi

a.      Benzene

Benzene (C₆H₆) adalah senyawa siklik dengan enam atom karbon yang berbentuk seperti cincin. Setiap atom karbon terhibridisasi sp² dan cincinnya adalah planar. Setiap atom karbon mempunyai satu atom hydrogen yang mengikatya, dan setiap atom karbon juga mempunyai orbital p yang tidak terhibridisasi tegak lurus terhadap bidang ikatan sigma dari cincin. Masing-masing dari keenam orbital p ini dapat menyumbangkan satu electron untuk ikatan pi.

Dengan enam electron p, benzene dapat membentuk tiga ikatan pi. Ketiga ikatan pi dalam cincin dapat digambarkan seperti pada rumus A atau dapat digambarkan seperti pada gambar B.

Diketahui bahwa semua panjang ikatan C-C dalam benzene adalah 1,40 Å. Keenam ikatan lebih panjang dari pada ikatan rangkap C=C, tetapi lebih pendek dari ikatan tunggal C-C. Bila cincin benzene mengandung  3 ikatan rangkap terlokalisasi oleh tiga ikatan tunggal, maka panjang ikatannya akan berbeda.

Para ahli menyimpulkan bahwa benzene adalah molekul simetrik dan masing-masing dari enam ikatan cincin adalah sama dengan ikatan cincin lainnya.

b.      Resonansi

Metana (CH₄) dan etilena (CH₂=CH₂)  adalah contoh dari senyawa organic dengan struktur yang menggunakan garis untuk ikatan pasangan electron). Suatu garis yang menghubungkan dua lambang atom menyatakan ikatan kovalen antara dua atom.

Benzene adalah contoh suatu senyawa organic yang tidak dapat digambarkan secara pasti oleh rumus ikatan valens itunggal.

Kedua rumus ikatan valensi untuk benzene ini disebut rumusKekule yang dicetus oleh Friedrich August kekule pada tahun 1972. Menurut Kekule, kedua struktur dari benzene bergeser maju mundur dengan cepat, sehingga tidak ada yang dapat diisolasi secara detail satu per satu.

Kedua struktur Kekule dikatakan ada dalam resonansi satu dengan yang lain, alasan inilah yang membuat struktur Kekule disebut sebagai lambangresonansi atau strukturresonansi untuk benzene.

Struktur benzene merupakan komposit dari dua struktur resonansi. Jadi, dapat disimpulkan bahwa benzene adalah hibrida resonansi dari dua struktur resonansi.

Bila berbagai struktur resonansi dapat ditulis untuk suatu senyawa, maka dapat dibandingkan delokasi dari kerapatan electron.

Struktur nyata adalah gabungan dari  semua lambang resonansi.

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 atom nitro menunjukkan dua jenis ikatan N-O. Namun demikian, telah diketahui bahwa dua ikatan N-O panjangnya sama.

Struktur resonansi untuk nitro metana (CH₃NO₂) seperti pada gambar dibawah ini. Untuk menunjukkan bahwa ikatan dari nitrogen terhadap oksigen dalam gugus NO₂ adalah sama, beberapa ahli kimia meyajikan gugus nitro dengan garis titik-titik untuk ikatan rangkap parsial.

Ion karbonat (CO₃^2-) adalah ion yang tidak 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.